土地利用与碳排放国内外研究进展比较——基于CiteSpace软件的文献计量分析

张 苗,2,袁凯华,陈银蓉,兰梦婷

(1.华中农业大学 公共管理学院,湖北 武汉 430070;2.山东师范大学 商学院,山东 济南 250014)

土地利用与碳排放国内外研究进展比较
——基于CiteSpace软件的文献计量分析

张 苗1,2,袁凯华1,陈银蓉1,兰梦婷1

(1.华中农业大学 公共管理学院,湖北 武汉 430070;2.山东师范大学 商学院,山东 济南 250014)

采用CiteSpace软件对国内外近14年主题为土地利用和碳排放的研究文献进行了文献计量分析。结果表明:国外研究主题的演进依次是微观层面的土地利用碳排放机理认知研究、土壤碳和植被碳的有机碳核算、建立不同的模型模拟或仿真碳排放变化、生物燃料利弊分析;国内研究主题的演进依次是建设用地和农业碳排放的研究、土地利用结构与能源消费的相关关系、特殊区域的碳蓄积变化与土壤碳核算、不同省份或地级市的碳足迹核算，以及城市土地、城市规划和土地管理视角的碳减排研究;减少森林采伐和森林退化碳排放和生物燃料的相关研究成为国外最新的研究前沿,低碳城市、城市规划、低碳交通和低碳发展成为国内研究前沿。

土地利用;碳排放;文献计量分析法;研究进展;研究前沿

1 前言

越来越多的证据表明,碳排放是导致全球气候变化的重要因素[1,2],全球气候变化可能对自然生态和社会经济系统产生多方面、多层次的影响。过去几十年时间，大气中大约有45%的CO2排放来自化石燃料燃烧和土地利用变化,剩下的CO2被称作是“碳库”的海洋和陆地吸收了[3]。随着研究的进展,新出现的主要问题是作为碳存储最大的陆地和海洋非常脆弱和不稳定,极容易导致自然碳排放[3,4],其中作为人类活动载体的陆地最易受到扰动。

根据世界资源组织的碳排放计算器测算和碳循环研究专家估算[1,2,5]:1850—1998年在全球的碳排放中,土地利用变化引起的碳排放量约占人类活动影响碳排放总量的1/3。未来一个世纪,由于土地系统很可能在结构和功能方面出现较大的变化,土地系统对气候的反馈在土地系统科学中的地位愈来愈重要,土地利用与碳排放问题引起了越来越多的学者关注[6]。国内学者基于不同的切入视角对国内外土地利用与碳排放相关文献进行了较全面的总结,侧重点有所不同,包括土地利用的碳排放机理与核算[7]、土地利用变化对碳排放的影响[8-12]、农业土地利用与碳排放的关系[13]、城市系统的碳循环[14]、土地利用变化与土壤有机碳(SOC)的关系[15]、土地利用变化对气候的影响[16-18]等相关研究进展。

为了厘清国内外有关土地利用与碳排放在不同时间段的研究主题、研究主题之间的相互关联以及研究热点与前沿,本研究采用文献计量分析法对国内外近14年以主题为土地利用和碳排放的文献进行了关键词提取分析与比较,总结了国内外有关土地利用与碳排放研究的主题演化进展,以期更好地指导未来我国土地利用与碳排放的科学研究。

2 数据与方法

当前有关文献图谱的软件有十余种之多,各个软件都具有各自的优势,而CiteSpace软件以其强大的文献共被引分析而知名。随着发展算法和功能的不断优化,当前CiteSpace软件已经被广泛应用于计算机科学、信息科学、医学等60多个领域[19]。本文主要借助CiteSpace软件[20]对国内外近14年主题为“土地利用”和“碳排放”的文献进行了计量分析,国外文献计量分析所用数据均来自于Web of Science核心合集,包括SCI、SSCI和Aamp;HCI等三大引文索引数据库。每一条数据记录主要包括文献的作者、题目、摘要和文献的引文。以“land use” 和“carbon emission”作为主题词,时间跨度为2002—2015年(由于Web of Science核心集最早只能检索到2002年，因此本文检索也只能从2002年开始),对两者的检索结果取交集,语言类型选择English,文献类型为“Article or Proceedings Paper or Review”,共获得了4249条文献数据,每年的文献数量分布见图1。

图1 国外文献数量时间分布

国内文献检所库为CNKI,选择文献检索,检索主题词为“土地利用”和“碳排放”,时间为2002年1月1日—2015年12月31日,共检索到有效文献566条(删除新闻、会议通知等信息),每年的文献数量分布见图2。由图1可知,2002—2015年国外文献数量呈增长趋势,表明“土地利用”和“碳排放”研究被越来越多的国外学者所关注。图2表明,从2009年开始我国学者开始更多地关注土地利用与碳排放相关研究,文献数量呈现递增趋势。

图2 国内文献数量时间分布

3 文献计量分析

3.1 研究主题演化趋势分析与对比

研究主题的分布及演化能够直观地体现不同时序内的热点领域、分析视角、研究方法的变化。关键词作为学术论文研究主题的精炼表达,其关联性在一定程度上可揭示学科领域中知识的内在联系。鉴于此,本研究通过关键词共现分析来鉴别国内外土地利用碳排放研究领域的主要研究方向和热点,并对该研究领域主题结构的发展变化做出判断。为了便于比较,对国内外文献本文采用同一软件操作,具体操作方式是:时间切割设置为1年,节点类型选择关键词,阈值选择以TOP30为阀值,运行CiteSpaceⅢ软件得到关键词共现网络图谱,然后通过PathFinder算法对网络进行修剪与合并,得出关键词共现的关键路径。

国外研究主题演化:通过运行CiteSpaceⅢ软件得到国外关键词共线网络图谱(图3、图4,见封二)和关键词分布表(表1)。修剪后的图谱共包含关键词节点73个,连线280条。由图3可知,从文献检索的2002年开始形成中心度较高的四大研究关键词分别是“土地利用变化、气候变化、土地利用、排放”。从图4可见关键词之间的联系,不同关键词之间具有相互影响和相互作用的关系,结合表1给出的关键词年份和中心度大小可知,“土地利用”成为中心度最大的关键词,演进出的关键词顺序(从左到右)依次是:土地利用—碳—森林采伐—二氧化碳排放—热带雨林—温室气体排放—减少森林采伐和森林退化碳排放(REDD,Reduce Emissions from Deforestation and Forest Degradation)—生物多样性等;“土地利用变化”成为中心度第二大的关键词,演进顺序依次是:土地利用变化—碳封存—管理—农业—土壤有机碳等;“气候变化”关键词受“土地利用”和“土地利用变化”的影响和作用,演进顺序依次是:气候变化—模型—土壤碳—森林—生态系统等;“排放”关键词同样受“土地利用”和“土地利用变化”关键词的影响和作用,演进的支脉相对较多,依次为:排放—生物群落—动态—有机碳—氮氧化物排放—温室气体排放—影响—生物燃料—生命周期模型—乙醇—保护等。

表1 国外文献关键词分布表

通过阅读原文献可知,“土地利用”演进的关键词代表的研究主题是以热带雨林等森林采伐和森林退化比较明显的区域为研究对象,开展REDD导致的碳排放研究;“土地利用变化”演进的关键词代表的研究主题是关于土地利用变化带来碳排放的认知和应对策略的研究,侧重于农业用地的土壤碳研究;“气候变化”则是关于通过建立不同的气候变化模拟模型来测算整个生态系统的植被碳和土壤碳的碳存储和碳通量的相关研究;“碳排放”关键词代表的研究主题首先是对生物群落的土壤碳和植被碳排放的探讨,然后延伸到生物燃料利用利弊的讨论和如何更好地利用生物燃料的相关研究。

通过表1可见,2002年出现的关键词最多且中心度相对较高,之后每年出现的关键词减少且中心度降低,表明国外的研究主题出现较早,研究分支相对集中;通过图4(封二)可见,代表研究主题的关键词之间具有相互影响和相互作用的关系。根据出现的先后年份和中心度的大小,以及通过阅读原文献可知,国外研究主题的演进首先是注重微观层面的土地利用碳排放机理的认知研究,展开土壤碳和植被碳的有机碳核算;其次是注重物理、化学和生物等自然科学知识在土地利用变化中的应用,通过建立不同的模型模拟或仿真碳排放变化为减缓温室气体排放提供科学依据,以及最近关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观理论基础。

国内研究主题演化:国内关键词共线网络图谱见图5(封二),关键词分布见表2 ,修剪后的图谱共包含关键词节点202个、连线259条。由表2可见,2002年中心度较高的关键词为碳排放,对应图5中最大的节点,结合表2,从左到右的关键词演进依次为:碳排放—温室气体—影响因素—土地利用规划—建设用地—驱动因素—农业碳排放等。2002年的关键词中除去碳排放外,土地利用方式的中心度也相对较高,但是研究主题分支较少,由图5可知演进的关键词主要包括时空格局和建设用地扩张,而其他关键词如土壤温度、人类活动和土壤湿度等中心度较低,并未形成对应的研究支脉。

表2 国内文献关键词分布

2003年中心度较高的关键词为土地利用,对应图5中第二大的节点,结合表2,从左到右研究主题演进依次为:土地利用—能源消费—土地利用结构—低碳发展—紧凑城市等;2008年中心度较高的土地利用变化关键词成为第三大的节点,研究主题演进依次为:土地利用变化—碳蓄积—土壤有机碳—季节变化—可持续发展等;2009年中心度较高的关键词为碳足迹,根据出现的时间顺序和图5中共现分布可知,碳足迹为高中心度关键词碳排放和土地利用的发展分支,通过阅读原文献,文献多基于不同的省份和地市来测算对应的碳足迹;2010年中心度较高的关键词包括低碳经济和气候变化,其中低碳经济演进出的关键词依次包括:低碳经济—城市规划—土地管理—低碳交通—土地利用碳排放—城市土地利用—城市发展—土地集约利用等;气候变化演进出的关键词依次包括:气候变化—低碳城市—低碳农业—城市发展—低碳城市规划—建设用地扩张—节能减排等。

由表2可知,国内每年都会出现较多的关键词,且中心度并不高,表明国内研究起步较晚,研究相对分散。国内中心度较高的关键词出现时间并不像国外一样集中,而是随着时间变化而推演。其中,2008年出现的土地利用变化关键词的演变与国外的“land use change”研究较为接近,而国外从2002年开始已展开相关研究。

其他关键词的演变中有交叉重复的部分,通过国内的关键词以及阅读原文献可知,国内研究多关注宏观角度的土地利用规划碳减排,以城市土地、建设用地和交通用地等为研究对象,以省份或地级市为研究区域(表2中多次出现具有一定中心度的地名),注重将土地管理、土地经济、土地利用规划与计量经济数学模型等经典理论和人文因素融入到土地利用碳排放研究中。

国内主题演进见图6。从图6可知，碳排放为其他研究主题的出现奠定了研究基础,不同研究主题之间具有互相影响和相互作用的关系,先出现的主题促进了后来研究出现的主题。对比国内外文献关键词共现网络图可见,国外文献数量虽然多但形成的节点较少,中心度高的节点较多,表明研究的基础理论丰富,研究分支也形成了一定的研究趋势。相比国外,由于国内研究起步较晚、文献相对较少,虽然提取的关键词节点较多,但中心度高的节点较少,可视化较明显的只有4个关键词,表明研究还处于起步阶段,形成研究分支的理论基础仍需继续完善。

图6 国内文献研究主题演进

关于研究主题的进展,国内外相同点在于后来出现的研究主题都以最初的研究主题为理论基础,国外研究主题多基于微观的理论研究基础,国内则是借鉴国外微观研究理论与我国具体实践相结合,发展出以宏观视角为主的研究主题。研究主题的内容都体现了学科交叉性强的特点。国外注重物理学、化学和生物学等自然科学知识在研究主题中的应用;国内注重经济学、管理学、环境科学、土地利用规划等学科理论在研究主题中的应用,研究主题对应的研究区域和尺度不同;国外关注大尺度历史数据的林地、草地和农田等自然生态系统的碳排放研究,多以热带地区为研究对象;国内学者偏向国家、省市级和特殊区域的社会经济系统的碳排放效应研究。

3.2 研究前沿辨析与对比

研究前沿的识别与追踪能为研究者提供了学科研究的最新演化动态,预测研究领域的发展,识别需要进一步探索的问题。CiteSpaceⅢ软件具有突发性的词汇检测功能,而突现的主题则代表了学科发展的新型趋势和突然变化。本研究在上述关键词共现分析的同时,利用软件自带的突现检测算法,得到土地利用碳排放研究领域的突现词信息图(图7、图8),其中图7为国外突现词信息,图8为国内突现词信息。

图7 国外突现词信息

通过图7可知,国外土地利用碳排放研究前沿显著划分为4个阶段:①2002年开始出现大量突现词,包括“减缓、生态系统、京都议定书、碳循环、碳通量、有机碳”,表明从2002年开始碳排放的研究突然增多,而关于土地利用碳排放的研究分支则是从土壤和植被的有机碳开始,突现研究词最晚持续到2008年。②2003年同样出现大量突现词,包括“氮氧化物、碳封存、二氧化碳、植被、土壤有机质、脱氮、草地”等,突现词的继续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纳入了研究范围。③2004—2005年出现的突现词包括“大气、农业土壤、欧洲、碳汇、敏感度”,虽然出现的突现词没有2002—2003年多,但也将研究的区域和方向进行了拓展,注重碳通量的核算;④2006—2011年突现词数量越来越少,主要包括“长期、乙醇、生物燃料、REDD”,其中“减少森林采伐和森林退化碳排放(REDD)、生物燃料”的相关研究成为最新的研究前沿。

图8 国内突现词信息

通过图8可知,相比于国外突现词的出现呈现明显的时间阶段特点,国内的突现词出现数量少且频次低。自2005年之后开始出现突现词,表明2005年之后国内相关研究逐渐丰富,主要包括碳储量、土壤呼吸、评测模型、低碳城市、城市规划、低碳交通和低碳发展。其中，低碳城市、城市规划、低碳交通和低碳发展成为国内的研究热点与前沿,也反映出国内文献以城市和城市土地为研究对象,基于宏观角度研究土地利用与碳排放的特点。

4 结论与展望

本文采用文献计量分析法对国内外近14年主题为“土地利用、碳排放”的文献进行了关键词共现和突现词提取分析,分析了国内外文献研究主题和研究前沿,比较了国内外研究差异。文献的描述性统计分析表明，越来越多的国内外学者关注“土地利用”和“碳排放”研究,文献数量呈逐年增长趋势。由于国外研究起步早,文献数量和增长速度明显高于国内,但国内的土地利用与碳排放研究也形成了一定的理论基础和研究框架。

总体上,国内外学者的研究主题和研究前沿存在明显的区别和联系,具体表现为:①研究主题之间具有承上启下的关系,均以最初的研究主题为理论基础,国外研究主题起步早、延续性好；国内研究主题起步晚,与国外研究主题有部分重叠。总体上国外研究基于微观视角,国内多基于宏观视角。国外研究主题的演进依次是对微观层面的土地利用碳排放机理的认知研究、土壤碳和植被碳的有机碳核算建立不同的模型模拟或仿真碳排放变化为减缓温室气体排放提供科学依据、生物燃料利弊分析;国内研究主题的演进依次是建设用地和农业碳排放的研究、土地利用结构与能源消费的相关关系、特殊区域的碳蓄积变化及土壤碳核算、不同省份或地级市的碳足迹核算,城市土地、城市规划和土地管理视角的碳减排研究。②研究的共同特点是综合性与学科交叉性,但理论应用和研究区域不同。国外学者关注物理、化学和生物等自然科学知识在大尺度历史数据的林地、草地和农田等自然生态系统的碳排放应用研究,多以热带地区为研究对象;国内学者多基于经济学、管理学、环境科学和土地利用规划等经典理论和人文因素,偏向国家、省市级和特殊区域的社会经济系统的碳排放效应研究。③由于理论基础和研究主题的不同,国内外的研究前沿和热点差别较大。其中,“减少森林采伐和森林退化碳排放、生物燃料”的相关研究成为国外最新的研究前沿，低碳城市、城市规划、低碳交通和低碳发展成为国内的研究热点与前沿。

总体上,国内外土地利用与碳排放研究在研究主题与研究前沿上存在较大差异,但都丰富了土地利用科学的研究,在未来的研究区域和研究趋势上国内外相关研究可能会形成互补关系。有研究预测,到2030年大部分发生城市扩张的地区在我国东部和墨西哥一些特定的地区、土耳其的部分城市增长区域[21],土地利用覆被变化引起碳排放不仅仅是存在热带森林采伐区域,热带雨林之外的地区也存在,而且温带和寒带地区的土地利用引起的净碳排放量不容小觑[22],我国将成为继热带地区后土地利用变化碳排放的热门研究区域,国外研究热带区域的理论基础可以借鉴到对我国的研究上。生物燃料成为国外研究最新的研究前沿,由于生物燃料带来的利弊影响仍存有争议,未来的研究会综合考虑生物燃料带来的利和弊,特别是带来土地利用变化的直接和间接影响,最终权衡是否鼓励生物燃料的开发和使用;城市土地利用碳排放仍是国内主流研究趋势,特别是关于低碳城市规划的研究。有效结合国外以微观视角为主的自然生态系统研究和国内以宏观视角为主的社会经济系统研究将成为未来全球研究土地利用和碳排放的主要趋势。

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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

国家社科基金项目“基于系统仿真的城市土地利用碳排放分析与低碳利用调控研究”(编号:14BGL218);国家社科基金项目“空间异质性视角下人口城镇化与土地城镇化的互动机理与政策优化研究”(编号:16CJY045)。

张苗(1989-),女,山东省莱芜人,博士研究生,主要从事土地低碳利用与管理方面研究。

陈银蓉(1963-),女,湖南省长沙人,博士,教授,博士生导师,主要从事土地经济利用与管理方面研究。