基于文献计量的草地生态系统水源涵养功能研究现状

张晓宁，李晓丹，2，年丽丽，杨莹博，刘学录，*

（1. 甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2. 甘肃农业大学管理学院，甘肃兰州 730070；3. 甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070）

生态系统是支撑与维持地球生命的支持系统［1］，生态系统服务功能是维持人类生命的保障系统，在生态过程中对外部环境表现出重要作用［2−3］，该研究领域已受到国内外科学界的高度关注［4−5］。水源涵养在各项生态系统中处于中心地位［6］，其作为生态系统的一项重要生态服务功能，主要表现形式为净化水质、涵蓄土壤水分、调节径流、拦蓄降水、供给淡水、抑制蒸发等［2，7−8］。水源涵养能力与植被的类型和盖度［9］、枯落物组成和现存量［10］、土层厚度及土壤物理性质［11］等密切相关，是植被和土壤共同作用的结果［12］，具有复杂性和动态性［13］。生态系统的水源涵养功能一直是生态学与水文学研究的热点，国内外不同学科的研究人员已在主流期刊上发表了大量的研究成果［14−17］，这些研究使人们对生态系统水源涵养功能重要性的意识进一步增强。目前，关于生态系统水源涵养研究的概念、机制和评估方法还在进一步完善中［18］。

草地生态系统在陆地生态系统中占有极其重要的地位，是陆地表面最大的生态系统类型［19］，它不仅可以给人类供给畜牧产品和植物资源，还对涵养水源、防风固沙、保持土壤、保持生物多样性和调节气候等调节和支持服务中起到关键作用［20−21］。其中，草地生态系统的水源涵养功能起到调节径流、消洪补枯、涵养水分和截留降水的作用［20，22］。然而，由于人类对草地生态系统供给服务的过度利用，使得草地生态系统的生产力下降、物种多样性减少、草原退化、水土流失等生态环境问题日益凸显，导致其调节服务损害和削弱［19，22］。因此，开展草地生态系统水源涵养研究对区域保护、草地资源的管理和可持续利用具有重要意义。

近年来，国内外已有文献对草地生态系统水源涵养能力及时空变化规律开展研究［10，23−27］，但是基于文献计量法，借助知识图谱对草地生态系统水源涵养的研究未见相关文献。为此，本研究运用VOSviewer 1.6.16［28］和CiteSpace 5.7［29］两种科学计量可视化软件，从文献计量角度分别对Web of Science（WOS）核心合集和中国知网（China National Knowledge Infrastructure）数据库中草地生态系统水源涵养问题相关研究的作者、机构、国家、期刊及关键词等进行可视化分析并绘制了知识图谱，理清国内外草地生态系统水源涵养的知识结构和发展态势，追踪研究热点和前沿，为未来相关研究学者开展研究起到一定的指引作用。

1 材料与方法

1.1 数据源与检索

本研究数据源来自Web of Science（WOS）核心合集和中国知网（CNKI）数据库，检索词用CNKI 翻译助手搜索，检索起始时间默认为自该数据库有记录时起，截止时间为2020年12月31日。在中国知网（CNKI）数据库中，专业检索式为“SU=水源涵养and（SU=草地or SU=草甸or SU=草原）”，文献类型为“Article”。外文期刊检索数据来自Web of Science 核心合集，检索式以“TS=（water conservation OR water conservation function OR water resource conservation OR water retention OR water conserving capacity OR water-conserved OR water conservation capacity OR water-reserving OR water holding capacity）AND TS=（grassland OR meadow ground OR lawn OR meadow land OR pasturage OR prairie）”为检索主题，文献类型为“Article”，语言类型为“English”。剔除没有作者的文献、会议论文、编辑材料、书评等，最终得到涉及草地生态系统水源涵养研究的有效中、英文文章分别为136 和717 篇。

1.2 数据处理

运用Excel 2016、EndNote X9、Origin 9.1、VOSviewer 1.6.16 和CiteSpace 5.7 软件，利用其各自处理数据的优势，对已发表的有关草地生态系统水源涵养研究的文献从国家、机构、期刊、研究方向和研究热点等方面进行分析。其中运用Excel 2016 软件统计已检索出的数据记录，显示各年份和国家的文献数量变化趋势；采用CiteSpace 5.7 和Origin 9.1 软件分析该研究领域的期刊和机构的共被引强度，并借助时序图功能对不同时间段的关键词进行探测；采用EndNote X9 软件转换数据格式，再使用VOSviewer 1.6.16 软件对数据进行分析处理，通过聚类关键词划分出不同时段的研究热点，最终对研究领域的演化形成可视化分析。

2 结果与分析

2.1 总体概况

2.1.1 文献产出时间序列分析 对检索到的CNKI 数据库中136 篇文献和WOS 数据库中717 篇文献统计分析可知，我国对草地生态系统水源涵养研究的文献数量从1992年开始总体呈现不规则性上升趋势，2020年达到顶峰；而国际上的研究与我国相比起步较晚，但从2010年以来相关研究的发文量不断攀升（图1）。

图1 CNKI 和WOS 数据库中草地生态系统水源涵养研究载文量分布Fig.1 Distribution of water conservation of grassland papers based on the CNKI and WOS database

2.1.2 发文机构排名 基于CiteSpace 5.7 中Institution 分析功能对发文机构进行分析，得到共被引强度前10的机构排名（图2）和主要机构图谱（图3），以反映研究领域各个机构的关系。由图2 可知，CNKI 数据库中共被引强度前三的机构分别为中国科学院地理科学与资源研究所、中国科学院大学和生态环境部南京环境科学研究所，而WOS 数据库中共被引强度前三的机构仍然为中国的机构，分别为中国科学院、中国科学院大学和北京师范大学，说明国内机构发表文章的学术影响力在该领域较强。从图3 可以看出，研究领域内发文机构分布不均匀，其中中国科学院作为中国自然科学的最高学术机构，在国内和国际上都做出重大贡献，成为草地生态系统水源涵养研究机构的主力军。

图2 CNKI 和WOS 数据库中共被引强度前10 的机构Fig.2 Top 10 institutions according to the citation counts based on the CNKI and WOS database

图3 CNKI 和WOS 数据库中草地生态系统水源涵养研究的主要机构图谱Fig.3 Visualization map of institutions of water conservation of grassland based on the CNKI and WOS database

2.1.3 主要发文国家 基于CiteSpace 5.7 中Country 分析功能对WOS 数据库中发文国家进行分析，得出草地生态系统水源涵养研究前10 的国家图谱（图4）。从各国的发文量可以看出，中国的发文量位居榜首，总计达到250 篇，占发文总量的34.48%；美国的发文量仅低于中国，占发文总量的31.45%；其次为德国、加拿大、澳大利亚、荷兰、法国、英国等国家，且中国和美国发文量之和占总发文量的65.93%。此外，由可视化图谱可见，中国在该研究领域引领世界，而美国也具有举足轻重的地位。

图4 WOS 数据库中草地生态系统水源涵养研究前10 的国家图谱Fig.4 Visualization map of top 10 countries of water conservation of grassland based on the WOS database

2.1.4 期刊共被引 基于CiteSpace 5.7 中Cited Journal 分析功能对发文期刊进行分析，得出草地生态系统水源涵养研究共被引强度前10 的期刊（图5）。由结果可知，CNKI 数据库中影响力较高的期刊主要有《生态学报》《水土保持学报》《水土保持研究》《长江流域资源与环境》和《资源科学》等，而WOS 数据库中影响力较高的期刊主 要 有《Science of the Total Environment》《Catena》《Sustainability》《Agriculture Ecosystems & Environment》和《Ecological Engineering》等。

图5 CNKI 和WOS 数据库中共被引强度前10 的期刊Fig.5 Top 10 journals according to the citation counts based on the CNKI and WOS database

2.1.5 主要发文作者 基于CiteSpace 5.7 中Author 分析功能对发文作者进行分析，得到共被引强度前10 的作者排名（表1 和图6）。由结果可知，文献核心作者群体呈现“大分散、小聚集”的布局，国内主要由3 个群体组成，分别为生态环境部南京环境科学研究所的吴丹和中国科学院地理科学与资源研究所的曹巍、黄麟等，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所的刘贤德、牛赟和中国科学院生态环境研究中心的吕一河等，中国科学院西北高原生物研究所的李红琴等，其中刘贤德的团队成为草地生态系统水源涵养研究的核心作者群，为该领域的研究做出了较大贡献；国际上最重要的研究作者群体为中国科学院水土保持研究所李占斌的团队，其余研究作者群体之间的连接度不高。

图6 CNKI 和WOS 数据库中共被引作者图谱Fig.6 Visualization map of co-citation authors based on the CNKI and WOS database

表1 CNKI 和WOS 数据库中共被引强度前10 的作者Table 1 Top 10 authors according to the citation counts in the CNKI and WOS database

2.2 研究热点分析

研究热点是有内在联系的文献在一定时期内所共同探讨的主题，而文献关键词则是对文章主题的高度概括及凝练［30−31］。运用关键词知识图谱可以形象地展示研究领域的研究热点［32］，借助可视化软件VOSviewer 的高频关键词共现密度功能和关键词聚类功能呈现。

关键词共现密度视图（图7 和图9）从冷色调到暖色调（蓝色到红色）表示关键词共现越高，即研究内容的热度越强［33−34］。关键词聚类视图（图8 和图10）的节点圆圈大小表示关键词词频，圆圈越大，关键词词频越高，即为热点研究内容；节点圆圈的位置越接近中心，则其所代表的关键词为该领域的重要概念；节点不同的颜色对应关键词出现的不同年份，颜色越接近紫色表示关键词出现的时间越早，越接近黄色说明关键词出现的时间越晚［35］。

2.2.1 国内研究热点分析 根据关键词密度视图（图7）和关键词时间共现视图（图8）可看出国内草地生态系统水源涵养研究的重点与热点。由图8 可知，2005−2010年以土壤物理性质、土壤水分和生态功能研究为主；2010−2015年以枯落物、生态系统服务价值、草地生态系统和水源涵养等方面的研究为重点；2015−2020年以生态系统服务、土地利用变化、水土保持和InVEST 模型为热点趋势。

图8 CNKI 数据库关键词时间共现可视化知识图谱Fig.8 Key words time co-occurrence visualization knowledge map of the CNKI database

此外，根据图7～8 以及VOSviewer 软件导出的视图聚类表，通过合并、凝练相近或相似的聚类，将中国近年来草地生态系统水源涵养研究分为5 个聚类群，主要涉及了水源涵养功能、生态系统服务功能、草地生态系统类型、土地利用变化、土壤物理性质等研究主题，主要关键词有“水源涵养”“生态系统服务”“草地生态系统”“InVEST 模型”“土地利用变化”“土壤水分”，具体的聚类结果及关键词见表2。

表2 CNKI 数据库研究主题及关键词聚类Table 2 Research topics and keywords clustering of the CNKI database

图7 CNKI 数据库关键词共现密度视图Fig.7 Density view of co-occurrence keywords of the CNKI database

2.2.2 国际研究热点分析 根据关键词密度视图（图9）和关键词时间共现视图（图10）可看出国际上草地生态系统水源涵养研究的重点与热点。由图10 可知，2015−2016年以植物多样性、物种多样性和径流等研究为主；2016−2017年以生物多样性、草地生态系统和水源涵养等方面的研究为重点；2017−2018年以生态系统服务、气候变化、土壤侵蚀和黄土高原等为研究热点。

图10 WOS 数据库关键词时间共现可视化知识图谱Fig.10 Keywords time co-occurrence visualization knowledge map of the WOS database

此外，根据图9～10 以及VOSviewer 软件导出的视图聚类表，通过合并、凝练相近或相似的聚类，将国际上近年来草地生态系统水源涵养研究亦分为水源涵养功能、生态系统服务功能、草地生态系统类型、土地利用变化、土壤物理性质5个聚类群，主要关键词有“water-retention”“climate change”“grassland”“land use”“physicalproperties”，具体的聚类结果及关键词见表3。

表3 WOS 数据库研究主题及关键词聚类Table 3 Research topics and keywords clustering of the WOS database

图9 WOS 数据库关键词共现密度视图Fig.9 Density view of co-occurrence keywords of the WOS database

2.3 研究前沿趋势分析

突现是指短时间内突然增长或者出现频次明显增加的关键词［36］，研究前沿是突现的动态概念和潜在的研究问题［37］。由于VOSviewer 的关键词共现密度功能和聚类功能只能定性地体现草地生态系统水源涵养研究热点，无法显示其时间变化，而CiteSpace 的关键词突现探测功能则可以定量地展示相关研究文献在某些年份中突现及延续的状况，直观地表征研究热点的发展趋势，反映研究前沿的时间变化规律和演化路径［30，38］。因此本研究借助CiteSpace 的突发性关键词探测功能（表4～5），从时间维度揭示国内外草地生态系统水源涵养研究内容的前沿动态。

表4 CNKI 数据库中草地生态系统水源涵养研究突发性关键词Table 4 Keywords with the citation bursts in water conservation of grassland research of the CNKI database

2.3.1 国内研究前沿趋势分析 根据表4 可将国内草地生态系统水源涵养的研究热点分为3 个阶段。分析后可以发现如下特点：

2005−2010年，重要概念“生态系统服务功能”和“生态功能”以及研究区域“甘南藏族自治州”在这一时期突现，明确了本领域的初步研究范围和内容，是草地生态系统水源涵养研究的起步阶段。此外，本阶段也有国内学者开始研究“土地利用变化”这一方向，这主要是由于根据土地利用现状分类国家标准，草地作为其中一种土地利用类型，在研究某一区域土地利用与生态系统服务的同时，就可得出草地的水源涵养服务［39−40］。上述研究内容在一定程度上促进了草地生态系统水源涵养研究的发展。

2010−2015年，各个关键词突现以及持续的时间都很短，其中，“草地生态系统”和“水源涵养功能”从2011年突现，持续到2012年，仅仅两年的时间，说明该关键词在草地生态系统水源涵养研究的起步阶段并未受到较高重视。之后研究中出现了关键词“土壤水分”，说明该阶段已有学者通过测得土壤水分的方法研究区域的水源涵养［41−43］。

2015−2020年，关键词“InVEST 模型”“水源涵养”和“生态系统服务”的突现性较高，突现强度为3.6881、2.3780 和2.2671，表明此阶段主要是通过InVEST 模型对生态系统的水源涵养服务进行研究，体现了该阶段的主要研究热点和方法。随着全球遥感技术的不断发展和完善，使区域尺度乃至全球尺度生态系统服务模型的构建成为可能，通过模型的验证与优化，使其在不同生态系统中具有适用性［44］。

2.3.2 国际研究前沿趋势分析 根据表5 可将国外草地生态系统水源涵养的研究热点分为3 个阶段。分析后可以发现如下特点：

表5 WOS 数据库中草地生态系统水源涵养研究突发性关键词Table 5 Keywords with the citation bursts in water conservation of grassland research of the WOS database

2010−2011年，“草地”“泥沙”“固碳”“多样性”等关键词突现，说明此阶段侧重于探究草地生态系统的水土流失、固碳、生物多样性等生态系统服务价值，如Deyn 等［45］研究了草地多样性恢复带来的更多固碳优势；Meusburger 等［46］的研究表明了草地植被覆盖对防止土壤流失的重要性；Roxana 等［47］在景观尺度上研究了生态系统功能的稳定性和草地的多样性，结果表明草地多样性增加了生态系统的功能并增强了其稳定性。

2011年，关键词“水文学”突现，说明当前阶段水源涵养的研究主要是水文学的研究内容。在之后的研究中又相继出现了“土壤水分”“湿地”“生态系统”“物种丰富度”“气候”等关键词，成为该阶段的主要研究内容和热点，这是因为气候、土壤深度和质地、地形地貌等会对生态系统的水源涵养能力造成影响［48］。其中“土壤水分”的突现强度为2.9648，说明该关键词在草地生态系统水源涵养研究的起步阶段受到较高重视。

2012−2015年，“产沙量”的突现性最高，突现强度为4.0068，“荒地造林”和“耕作措施”关键词的突现强度较高，说明当前研究更关注通过采取水土保持措施，控制水土流失，使区域水源涵养能力增强，改善生态环境。如Liu 等［49］比较了64 种不同梯田保护措施（覆盖系列）和6 种配置（高，中和低草地覆盖度组合）下水土保持的变化，利用梯田建设进行了坡地整治，以改善水源涵养能力，控制水土流失和提高土壤肥力，结果表明在不同草地覆盖情况下，土壤流失和产沙量差异很大。

3 讨论

本研究的亮点之处是对文献产出时间序列、重要研究机构、国家发文量、高被引期刊、关键词共现、关键词突现等进行分析，特别是用CiteSpace 可视化图谱软件分析了关键词突现和重要研究机构、国家、作者之间的合作关系，用VOSviewer 可视化图谱软件绘制了关键词共现密度视图和关键词共现可视化知识图谱，结果可以看出该领域影响力较强的机构、核心作者群体以及未来的研究方向。

由于草地生态系统水源涵养研究涉及多种交叉学科，这对文献检索产生一定的影响，且本研究主要分析了发文数量、国家、机构、作者、期刊和关键词等，对其他情况未做分析。因此，未来需利用多种数据库论文进行研究进展分析，以便对草地生态系统水源涵养研究提供更为丰富的数据源，获得更完善的知识发现。此外，还可利用HistCite、TDA（Thomson data analyzer）、RefViz、Net Workbench Tool（NWB Tool）等信息可视化分析软件或其他分析方法，从不同深度和不同角度对草地生态系统水源涵养的研究现状及趋势进行研究。

草地生态系统水源涵养研究是逐步演变的过程，根据有关论文的发文时间和关键词的发展路径分析，发现草地生态系统水源涵养研究的内容不断延伸。中国虽在该研究领域具有一定的领先地位，但不同科研机构和团队之间的联系强度较弱，相互合作的强度较低，表现为以研究团队为单元的研究现状，且地域性研究较为明显。然而，草地生态系统水源涵养研究作为一个草学、水文学、林学、生态学等多学科交叉的领域，应该尽可能发挥各个学科的优势，加强国内外团队和机构间的合作，实现资源共享、优势互补，以期准确的把握该领域的研究热点，取得更大的进步。

综合国内外已有文献来看，未来草地生态系统水源涵养研究的重点有如下3 个方面：

1）拓展和深化土壤理化性质、枯落物、不同草地生态系统类型及其对水源涵养功能影响的研究。税伟等［23］以土壤理化性质中的水分物理指标作为研究土壤水源涵养量的基础，分析了在恢复重建过程中沙化草地水源涵养功能的变化［50］；杨永胜等［51］探讨了不同退化程度对高山草甸持水能力的影响，结果表明地表草毡层是保持高寒草甸水源涵养功能的关键；吕宸等［10］探讨了不同海拔和坡向高寒山地灌丛草甸凋落物水源涵养功能的差异［52］；张雪峰等［53］运用InVEST 模型对草地生态系统水源涵养功能的空间特征进行研究，结果表明各草地植被类型的水源涵养功能差异明显。以上研究结果表明土壤理化性质、枯落物、不同草地生态系统类型等因素对水分的涵养具有一定的影响，在今后的研究中应该在此基础上更进一步的拓展和深化。

2）形成广泛认可的草地生态系统水源涵养评价指标体系与量化方法。已有文献通过量化的方法对生态系统水源涵养功能进行评价，例如王春菊等［54］在ArcGIS 9.0 软件的支持下，对福建省的评价指标数据进行提取和集成，对水源涵养功能重要性进行了等级评价；张泽芳［55］将北京市作为研究区，运用层次分析法和德尔菲法，以土壤因子、植被因子、气候因子、地形因子作为准则层建立水源涵养功能评价指标体系，对水源涵养功能进行评价及分级；刘娅等［50］根据水源涵养功能的蒸散量、土壤饱和含水率、降水量、森林覆盖度、海拔5 个主要影响要素，构建自组织神经网络（self-organizing feature maps，SOFM），对京津冀地区水源涵养功能进行了区域划分。在后续研究中应形成适用于草地生态系统水源涵养评价的指标体系，加强指标选取、权重确定以及结果验证等方面的科学性，同时还应积极探索模型、试验统计等多元化的方法。

3）构建高质量的模型、运用高精度数据源对草地生态系统水源涵养的时空异质性进行分析。生态系统水源涵养的时空异质性研究已有相关文献，例如李士美等［43］基于土壤水分动态监测数据，对青海海北高寒草甸生态系统水源涵养服务的时空异质性进行了研究；王秀明等［56］以韶关市为研究区，运用改进的InVEST 模型评估了1990−2017年4 个时期生态系统水源涵养服务功能时空演变趋势，研究结果表明水源涵养量空间异质性主要受降水量和土地利用类型的影响；黄颖等［52］采用InVEST 模型、HSI 模型、水量平衡方程法和市场价值法对1995−2015年淮河生态经济带的水源涵养功能进行评价。在后续研究中应以此做参考，运用高质量的模型和高精度数据源对草地生态系统水源涵养的时空异质性进行分析。

4 结论

通过对草地生态系统水源涵养功能研究论文进行分析，获得如下结论：

1）国际上相关领域的研究与我国相比起步较晚，但都呈现增加的趋势；发表论文的研究机构多集中于研究院和高校，不同研究机构的科研能力存在明显差异，其中中国科学院的共被引强度居首位；该领域发表《Science of the Total Environment》《Catena》《生态学报》和《水土保持学报》等高质量期刊的影响力较强；中国和美国在该研究领域具有举足轻重的地位，为该研究领域的发展做出了突出贡献；不同作者间以核心作者为节点开展研究，但研究团体之间的合作较少。

2）“生态系统服务”“土地利用变化”“土壤水分”“土壤物理性质”“InVEST 模型”等关键词是近年来国内外草地生态系统水源涵养研究的共同热点内容，且实测土壤物理性质和运用模型评估是研究区域草地生态系统水源涵养的重要手段。

3）通过观察草地生态系统水源涵养研究主题变迁发现：研究内容逐渐细化、系统，主要以“土壤水分”“水土保持”为依托；研究手段主要从野外观察、控制试验向地理信息系统（geographic information system，GIS）、遥感和模型模拟发展，以构建大尺度生态系统水源涵养研究评价模型；研究尺度从局部向区域和全球转变，拓展研究的空间尺度，探索时间尺度的变化规律是未来的研究前沿趋势。