基于CiteSpace的陆地生态系统碳水耦合研究现状及趋势

马龙龙,杜灵通,*,丹 杨,王 乐,乔成龙,孟 晨,倪细炉

1 宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地,银川 750021 2 宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室,银川 750021

近年来以大气中CO2浓度增加为主要特征的“碳问题”和以淡水资源短缺为主要特征的“水问题”已引发了全世界陆地生态系统碳水循环研究的热潮[1-2]。碳水循环作为陆地生态系统物质能量循环的核心,两者并不彼此孤立,而是密切联系、相互耦合的生态学过程；当前,两者间耦合关系的研究已成为碳水循环和生态系统碳水管理的重点之一[3]。碳循环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环等过程,水循环主要包括降水、蒸散发、产流和土壤水分变化等过程[2]；陆地生态系统碳水循环通过这些内在机制耦合,光合作用过程主要受辐射、土壤水分含量、气孔导度、叶片生物量和化学作用控制,这些因素也是调节水分蒸散的关键因素[1-4]；蒸散和降水的季节模式共同影响陆地生态系统的生产力,陆地生态系统呼吸主要由土壤温度和湿度控制。可见,植被、土壤、大气等多种生物与环境因子共同控制着陆地生态系统的碳水耦合过程[2,5-6],但二者的耦合机制尚需深入研究[7-8],其结果将成为碳水资源综合管理的新切入点。

已有文献从基于生理生态学的叶片尺度[9-10]、利用通量观测的冠层尺度[11-12]和基于遥感数据与水文观测的区域尺度[2-3,8-9],对陆地生态系统碳水耦合机理及其变化规律开展研究[13-14]。虽然我国有关陆地生态系统碳水耦合的研究起步较晚[11],但随着中国陆地生态系统通量观测与研究网络(China FLUX)的建设,相关研究得到迅猛发展[15],并推动全球变化生态学研究进入一个全新的时代[16],与碳水耦合循环的4个关键科学问题也成为未来China FLUX关注的重点[17]。近年来,不同学科的研究人员在国际主流期刊呈“井喷式”发表陆地生态系统碳水耦合方面的研究成果,但不同文献关注的科学问题和研究侧重点存在差异。为此,本文基于Web of Science数据库,运用文献数据可视化应用软件CiteSpace[18-19],从文献计量角度对陆地生态系统碳水耦合的作者、机构、期刊、研究领域及关键词等进行分析,理清当前国际研究的知识结构,阐述陆地生态系统碳水耦合的演化发展路径与发展态势,揭示研究前沿与热点,指导相关科研人员开展研究。

1 数据来源与方法

Web of Science 数据库是由美国科技信息所(Institute for Scientific Information,ISI)推出的引文索引数据库,是目前提供引文回溯数据最深的数据库,所收录的文献覆盖了全世界最重要和最有影响力的研究成果,已成为国际公认进行科学统计与科学评价的主要检索工具[18]。本研究以Web of Science TM核心数据库的自然科学引文索引(Science Citation Index Expanded,SCI-E)为数据源,采用高级检索方式,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)”为检索主题,检索时间跨度为1999—2018年,语言为英语,(数据检索日期为2019年5月),文献类型为“Article”,共检索文献17079篇,通过对检索到的文献进行筛选精练,最终得到涉及陆地生态系统碳水耦合研究的文献4472篇。

CiteSpace知识图谱是由美国德雷塞尔大学教授陈超美开发,用来分析、挖掘及进行科研文献可视化的应用软件。该软件基于共被引分析理论、寻径网络算法等方法,通过数据挖掘、信息分析、图谱绘制,展现特定学科领域的知识结构,直观地表现知识群的演化过程[19-20]。自可视化文献分析软件CiteSpace及其图谱绘制方法引入国内后,借助知识图谱分析科学研究热点在诸多学科中得到了广泛应用。文中所使用的数据采用CiteSpace的Web of Science数据分析板块进行处理,对陆地生态系统碳水耦合相关研究的作者、机构、期刊及关键词研究热点前沿等进行分析。

2 结果与分析

2.1 文献产出时间序列分析

时间是投射客观存在的一个普遍维度,一些理论在时间发展序列中会表现出规律性[16]。在1999—2018年的20年间,Web of Science的核心集数据库中关于陆地生态系统碳水耦合的研究共发文4472篇,发文量呈显著增加趋势,年均增加219.95篇(图1)；其中1999—2008年,10年间发文量仅占总发文量的26.25%,年均增加117.4篇,而2009—2018年的占比高达73.75%,年均增加329.8篇,年均增加篇数是前10年的2.78倍,发文数量明显加快。近年来国际上碳水耦合研究发文量呈现快速增加趋势,这与全球通量网络和遥感技术的快速发展为陆地生态系统碳水耦合相关研究提供了丰富的数据基础有关[9]。

图1 每年发表总论文数 (1999—2018)

2.2 主要发文机构与国家

基于CiteSpace软件中Institution分析功能,对4472篇文献的发文机构进行分析,得到主要发文机构排名(表1)和机构合作图谱(图2)。从发文数量可以看出,陆地生态系统碳水耦合研究集中于高校和研究院所,其中中国科学院、中国科学院大学、美国林业局、加州大学伯克利分校和俄勒冈州立大学发文数位居前五,占总发文量的19.83%；发文量在40篇以上的机构共20所,占发文总数的50%；这说明陆地生态系统碳水耦合的研究机构相对集中,但不同研究机构间科研能力存在较大差异。中国科学院和中国科学院大学作为我国具有较高科研水平的研究院和高校,承担着大量的相关研究,对我国碳水耦合的发展做出了突出的贡献。在发文量前十的机构中,有6所机构属于美国；结合国家知识图谱(图2)和各国发文频次可以看出,发文量最多的国家是美国,占比达到26.35%,可见美国在陆地生态系统碳水耦合研究领域依然引领世界；其次是中国,占比为13.02%,中国在陆地生态系统碳水耦合领域的研究也具有举足轻重的地位。

图2 陆地生态系统碳水耦合研究的机构和国家知识图谱

表1 陆地生态系统碳水耦合研究发文量前10的机构

2.3 主要发文作者

利用CiteSpace中Author分析功能对发文作者进行分析,得到发文作者图谱(图3)和发文量排名(表2)。结果显示,Black TA为发文量最多的作者,已发表52篇相关论文；Yu GR和Chen JQ紧随其后,各发表41篇；Black TA、Yu GR、Chen JQ、Sun G四位作者发文量排名前四,均在20篇以上。共有31位作者发文量在10篇以上,占总发文量的12.18%,成为陆地生态系统碳水耦合研究的核心作者群,为陆地生态系统碳水耦合的相关研究做出了较大的贡献。进一步研读文献发现,基于气孔行为的光合-蒸散碳水耦合模型[21-23]、碳水耦合的定量评价——水分利用效率[14]、涡度相关技术[5,9]、遥感技术的尺度外推[2]、大尺度的碳水资源评价模型等领域是核心作者群的研究热点。从作者发文图谱(图3)可以看出,不同作者间主要以核心作者为节点开展合作研究,但核心作者彼此之间合作较少,这主要是因为不同团队之间受地域学缘等因素影响,联系强度较弱,未来应加强不同国家、不同核心作者间的深入合作。

表2 排名前20位发文作者

图3 陆地生态系统碳水耦合研究的作者和期刊共被引期刊知识图谱

2.4 期刊共被引和研究领域

对碳水耦合研究的文献进行期刊共被引分析,可以在一定程度上反映出碳水耦合研究的重点领域。其中共被引频次最高的期刊是《Global Change Biology》,共被引2559次；其次为《Nature》、《Science》、《Agricultural and Forest Meteorology》及《Ecology》等(表3)。共被引频次前10的期刊均在其相关的研究领域具有很高的权威性,在一定程度上可以代表陆地生态系统碳水耦合研究领域的重点(图3)。陆地生态系统碳水耦合研究涉及的领域主要为环境科学与生态学、生态学、环境科学、大气与气象科学、林学、农学及水资源等,其中环境科学与生态学占据首位,其次为生态学和环境科学等研究领域(图4)。陆地生态系统碳循环和水循环是受植被、土壤和大气等多种生物与环境因子共同控制的生态学过程,其涉及到多个研究领域,同时也体现出陆地生态系统碳水耦合研究的广泛性、综合性和交叉性等特点。

表3 陆地生态系统碳水耦合研究前10位共被引期刊

图4 陆地生态系统碳水耦合研究领域分布

2.5 关键词分析

2.5.1关键词发展路径分析

关键词知识图谱由被分析文献的所有关键词提取绘制得出,可以直观的呈现出该研究领域的中心词汇及研究路径演变[24-25]。陆地生态系统碳水耦合研究的关键词知识图谱的最大节点为“气候变化”,其次为“生态系统”和“涡度相关”(图5),这3个关键词分别出现了766次、600次和571次(表4)；并以“气候变化”为节点延伸出2个主要研究路径,揭示了陆地生态系统碳水耦合研究的主题演变趋势。在全球“气候变化”的大背景下,碳水耦合的研究主要有两条路径,一条是以陆地生态系统碳水耦合关系的定量评价为主线,即围绕生态系统“水分利用效率”这一核心,开展植物水分利用消耗与生态系统生产力之间的相互作用关系研究。另一条主要以“涡度相关”和“生态系统”为主,基于通量站点涡度相关系统的观测数据开展陆地生态系统碳水耦合规律研究,构建基于生理生态或生态水文过程的碳水耦合模型[2],根据时间序列动态过程,进行尺度推演,模拟和预测碳水耦合机制,将小尺度的碳水关系的变异规律推演到较大的时空尺度上,探究整个陆地生态系统碳水通量双向反馈作用机制,并预测其未来变化趋势[11]。

图5 陆地生态系统碳水耦合关键词共现可视化知识图谱

表4 陆地生态系统碳水耦合研究高频关键词

2.5.2研究前沿趋势分析

陆地生态系统碳水耦合的研究是一个逐步演变的过程,根据发表论文关键词发展路径和发文时间分析,发现陆地生态系统碳水耦合的研究内容不断延伸,利用CiteSpace软件中突变检测分析方法[26],得到陆地生态系统碳水耦合研究关键词的共现网络突现词(表5),并由此确定陆地生态系统碳水耦合研究热点。

表5 陆地生态系统碳水耦合关键词共现网络突现词

21世纪之前,关于碳水耦合的模拟研究始于Farquhar等[27]的光合模型和Ball等[28]的光合与气孔导度关系模型[2,29],研究叶片尺度上的碳水耦合关系的机理机制；随后又基于“大叶模型”的假设(即把植物冠层想象成为一片大的叶子),将研究尺度从叶片拓展冠层[25]；此阶段主要集中在研究光合作用—气孔行为—蒸腾作用之间的相互协同关系,构建生理生态模型,模拟叶片和冠层尺度碳水之间的相互关系[30-32]。其中,“冠层”作为关键词的突现强度为14.6335,“气孔导度”突现强度为3.8650,说明该关键词在陆地生态系统碳水耦合研究的起步阶段受到较高重视。

2000—2008年,侧重于探究植物的水分利用效率与水资源制约的生态系统生产力之间的相互作用关系；研究方法从最初基于气孔行为的光合模型发展到利用涡度相关的通量观测和生理生态模型相结合,同时稳定碳同位素技术也应用于测量水分利用效率的研究中；研究尺度从叶片逐步扩展到冠层和生态系统。

2009—2018年,农业(Agriculture)、半干旱草原(Eemiarid Grassland)的突现强度分别为6.6237和6.2599,表明此阶段碳水耦合研究的主要对象集中在农业和半干旱草原区。光能利用效率(Light Use Efficiency)、遥感(Remote Sensing)、MODIS和生态系统模型(Ecosystem Model)等关键词的突现性也较高,体现了这一阶段的主要研究手段和热点。随着全球通量网络和遥感技术的不断完善,使区域尺度乃至全球尺度碳水耦合模型的构建成为可能[33],特别是在站点尺度碳水耦合规律的基础上,利用遥感技术进行尺度外推,进行模型验证与优化,改善模拟效果,提高碳水模型在不同生态系统中的适用性[34-35]。

3 结论

本文以1999—2018年Web of Science核心数据库中有关陆地生态系统碳水耦合的4472篇论文为研究对象,借助文献信息可视化方法,研究了当前陆地生态系统碳水耦合研究的现状及趋势,结论如下：

(1)1999—2018年,关于陆地生态系统碳水耦合的研究论文数量呈现快速增加的趋势,形成了以Black TA、Yu GR、Chen JQ为主的核心作者群；中国科学院、中国科学院大学、美国林业局、加州大学伯克利分校及俄勒冈州立大学等发文数量位居前的研究机构。陆地生态系统碳水耦合研究涉及环境科学与生态学、生态学、环境科学、大气与气象科学、林学、农学及水资源等领域,体现出综合性和交叉性的特点。

(2)“气候变化”、“生态系统”和“涡度相关”等关键词中出现频率最高,关键词知识图谱延伸出两条研究路径,一条围绕生态系统“水分利用效率”这一关键词,开展植物水分利用消耗与生态系统生产力之间的相互作用关系研究；另一条主要以“涡度相关”和“生态系统”关键词为主,基于通量站点涡度相关系统的观测数据,开展不同尺度陆地生态系统碳水耦合规律研究。

(3)在全球变化背景下,陆地生态系统碳水耦合关系的研究要以通量观测站为依托,结合模型模拟、稳定同位素技术、涡度相关技术等先进手段,将单个通量站点联合扩展到多点联网格局,并结合GIS、遥感和模型模拟等方法在面上进行观测和模拟,从而构建更大尺度的碳、水资源评价模型。拓展和推移研究的空间尺度,预测时间尺度上的变异规律是近年来新兴的研究热点。

4 展望

在1999—2018年期间,关于陆地生态系统碳水耦合的全球发文量随时间呈快速增加的趋势,这与生态学其他研究方向的论文增长规律一致[36]。从研究机构和作者团队的影响力来看,中国在陆地生态系统碳水耦合研究方面具有一定的领先地位,但不同团队和机构之间受地域学缘等因素影响,联系强度较弱,而陆地生态系统碳水耦合研究作为一个多学科交叉的研究领域,应该尽可能的发挥每个学科的优势,应加强国内外高校和科研机构间的科技合作,以便进一步提升中国在这方面研究的综合实力,实现资源共享,优势互补。由于陆地生态系统碳水耦合涉及不同的研究领域,很难具体到某一确定的概念,这对数据检索和文献精炼有一定的影响,且本文主要分析了发文数量、机构、作者、关键词等,对论文其他引用情况等未做分析。因此,将来可考虑利用多种数据源的综合评价指标来开展多维度的研究进展分析,以获得更为丰富的有关陆地生态系统碳水耦合研究的知识发现。同时,还可利用多种分析方法或TDA(Thomson Data Analyzer)、VOSviewer等文献分析软件,从不同角度和不同层面对陆地生态系统碳水耦合的研究现状及趋势进行研究,以期更深入准确的把握这一研究领域的热点。