基于文献计量分析的生态网络研究现状和趋势

蔡国俊，袁桂香，符辉*

1.湖南农业大学资源环境学院/洞庭湖区农村生态系统健康湖南省重点实验室，湖南 长沙 410128；2.贵州科学院贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001

生态系统是高度自组织的复杂系统（Jørgensen，2017）。生态学研究的主要目标是了解生态系统中生物与生物、生物与非生物环境之间的相互关系，揭示生态系统各组分之间的相互关系及其演化规律，以期对生态系统的动态演替进行合理的预测（Yackinous，2015；Dale，2021），为生态系统保护、管理与退化生态系统恢复等提供理论和技术支持。由图论（graph）（Dale et al．，2010）发展而来的复杂网络（complex networks）是研究复杂系统行为和结构的一种新理念和新方法。近20年来，随着复杂网络研究的发展，“网络思想”广泛渗透于生态学研究的各个方向（Albert et al.，2001；Proulx et al.，2005），如食物网（王少鹏，2020）、分子网络（Deng et al.，2012）、代谢网络（Cuff et al.，2022）、种间关系网络（朱建明等，2021）、传粉网络（罗芳等，2013）、微生物网络（Barberan et al.，2012）、性状网络（He et al.，2020）等，这些研究的快速拓展促使生态网络（Ecological Network）研究逐步发展为一个新兴学科，被应用于生态学领域各个方向的研究（Ings et al.，2009；Tylianakis et al.，2017；Delmas et al.，2018；He et al.，2019）。生态网络研究的理论基础是：在生态系统中，不同组分间通过物质、能量和信息的交换相互联系，形成复杂的相互作用，这种复杂的生态关系可以表示为生态网络（Montoya et al.，2006；Zhou et al.，2010），网络的复杂程度及其稳定性揭示了生态系统的复杂程度和稳定性（Sole et al.，2001；Landi et al.，2018；Yuan et al.，2021）。

基于整体论，借助复杂生态网络对生态系统内各组分间的复杂关系进行量化和可视化，通过重点分析网络的模块性和关键节点有利于找出关键物种或具有重要生态效应的功能模块（肖显静等，2018；李海东等，2021），为解决各类生态问题，如关键生物保护（Kaiser-Bunbury et al.，2015）、物种相互作用（Messeder et al.，2020）、生态系统稳定性（Ma et al.，2019）及深入理解生态系统的演变机理（Dale，2021）提供了可能。近10年以来，生态网络相关的研究迎来了理论[包括网络构建方法（Fath et al.，2007；Freilich et al.，2020）、网络结构（Telesford et al.，2011；Cagua et al.，2019）及特征指标生态学意义（da Fontoura Costa et al.，2006；Borrett et al.，2019）、生态网络分析方法（Borrett et al.，2018；Xing et al.，2021）]及各个生态领域应用的快速发展（Barberan et al.，2012；Chen et al.，2014；Kleyer et al.，2019；Windsor et al.，2021）。虽然Lau et al.（2017）和Borrett et al.（2018）对生态网络指标（Ecological Network Metrics）和生态网络分析（Ecological Network Analysis）相关研究进行了回顾性综述，但对于生态网络研究的主题整体布局，生态网络研究进程中的主题演变以及随着生态网络研究的推进，研究中紧密联系的知识单元的变化等问题需要进一步梳理，以便于研究人员挖掘领域热点和前言，并近一步拓展生态网络研究。

通过对某个领域研究主题的挖掘来探索该领域主题特征的研究已涉及各个领域。科学计量及其可视化为获得某个研究领域的深层次见解提供了一种合适的方法。该方法应用统计学对研究领域有关文章、期刊、发展趋势等信息和指标进行定量分析，并通过可视化分析该研究领域的研究热点和发展趋势等（Li et al.，2021；赵蓉英等，2010），有助于从事特定研究领域的研究人员更好地了解其研究范围、类别、发展趋势、重点议题以及主要著作和作者，这对于刚进入该领域研究人员尤其有用（Goerlandt et al.，2020）。本文应用R语言文献计量程序包bibliometrix（Aria et al.，2017）和科技文献可视化软件 VOSviewer（van Eck et al.，2010），对生态网络主题词进行检索、提取和分析，探究生态网络研究的学科领域构成、研究主题热点、极具影响力的作品和发展趋势等，以期梳理生态网络研究的整体布局，挖掘下一步研究方向。

1 数据源及分析方法

1.1 数据检索

在Web of Science核心数据库（WOSCC）高级检索中，对生态网络研究主题进行广泛检索，检索语句为：[(TS=ecological & network) or (TS=ecological & networks)] and（AK=ecological & networks），式中，TS为主题，AK为关键词，检索期限为1985—2022年，检索截止日期为2022年1月3日，检索后导出检索数据集进行后期分析。

共检索到2782篇相关的文章，对主题词和关键词的限定，可以认为检索到的文献为生态网络研究的的核心文献，表1为使用R程序包bibliometrix对数据集获取的主要描述性信息，检索到的文献的时间跨度为2007—2022年（其中：1985—2006年未检索到文献，2022年的文献为预印本或网络出版），文献来源于69个国家（地区）565种期刊，8521位研究人员（单独或合著），其中136位研究人员只发表过1篇文献。大部分文献的工作都是由多位作者共同协作完成，这些合作的文献每篇的平均合作者数为5.02，协作指数3.19，仅有152篇文献为单一作者贡献。平均每篇文献的引用数为29.84，相对较高，表明生态网络研究在学术界亦有相当的影响力。

表1 检索数据集的主要描述性信息Table 1 Descriptive information of the dataseton ecological networks research

1.2 分析方法

应用R程序包bibliometrix提取关键词、作者、文献源等文献关键信息以及其时间序列数据，使用stats包中l m函数进行趋势拟合，使用ggplot2包进行统计数据绘图。使用VOSviewer软件进行关键词、国家、机构合作网络构建及主题聚类分析和可视化分析。

2 结果

2.1 论文产出的时间态势

2.1.1 整体产出趋势

科技文献承载着学科方向科学知识、科学信息和研究趋势，其数量的变化直接反映了该主题或领域科学知识量的变化和研究趋势。生态网络研究论文发表趋势如图1所示，生态网络相关的研究论文从2007年发表45篇，到2021年年发文量382篇，整体上呈线性增长趋势（y=24.643x-49449.048，F=275.4，r2=0.952，P=0.000），平均每年以约20篇的速度增加（年均增长率为19.4%），其中2008年和2013年发文量较上一年有所降低，文献累计量曲线呈显著的指数增长模式（y=1.708×10-236e0.2727x，F=212.4，r2=0.9379，P=0.000），这表明生态网络的相关研究呈稳步增加的趋势。

图1 生态网络研究论文的年分布Figure 1 Publication trends of the papers from 2007 to 2021

2.1.2 学科类别产出趋势

某个科学主题在某一学科领域的发文量表征了该主题在该学科领域内的应用或发展趋势（Price，1976）。本文对生态网络研究主题发文量排名前 15的学科领域的发文趋势进行了分析，结果如图2所示，生态网络研究主要集中于生态学、环境科学和生物多样性保护领域，其中生态学领域的发文量持续增加，2017年以来植物科学和微生物生态领域的发文量也呈明显的增加趋势，这可能与近几年来，植物科学和微生物生态领域广泛应用生态网络分析有关。

图2 发文量前15位的学科发文趋势Figure 2 Annual distribution of publications of the top 15 WOS scientific categories

2.1.3 期刊产出趋势

在生态网络研究主题发文量前 15的期刊如表2所示，其中Ecological Modelling发文量最高，总发文量为127篇，Ecology Letters和Ecological Indicators紧随其后，但发文量也均低于80篇，其余期刊发文量均未超过70篇。整体上，生态网络研究相关论文大多刊登于生态学相关领域的期刊。

表2 生态网络发文量前15的期刊Table 2 Outputs of top 15 journals on ecological networks

图3展示了自2007年以来，排名前15的期刊年产出变化趋势，近15年来，Ecological Modelling的产出相对较稳定，多个期刊于2013年之后才开始刊登相关的文献；2018年之后 Ecological Modelling的发文量减少，而Ecological Indicators和Science of the Total Environment等期刊的发文量增加，生态网络研究逐渐从网络模型构建转向网络特征参数的揭示和应用。

图3 排名前15的期刊年发文量变化Figure 3 Outputs of top 15 journals on ecological networks from 2007 to 2021

2.2 论文产出的空间态势

2.2.1 国家（地区）分布

全球共有 69个国家（地区）贡献了检索到的2782篇文献，如表3所示，其中产出量前23的国家（地区）贡献了90%的文献，中国大陆作者文献产出量最大，共发表论文601篇（21.67%），美国次之，贡献了393篇文献（14.17%）；从表中也可知，生态网络的研究主要源自于欧美国家和中国大陆。

表3 排名前25的国家/地区发文量和被引用频次Table 3 Top 25-productivity countries/regions in ecological networks

从文献引用次数来看，美国作者的文献总被引次数最高，中国次之，前25个国家中，总被引次数与文献产出量的趋势大体一致；从平均引用次数来看，丹麦、瑞典、阿根廷、西班牙等国家的平均被引次数较高，中国虽然发文总量最高，但平均引用频次比较靠后。

图4展示了排名前5的国家的年发文量趋势，可以看出，2017年以前，发文量前5的国家中，美国的发文量保持领先水平；2017年之后，中国的发文量开始跃升超过美国，说明中国科研工作者自2017年开始对生态网络的研究兴趣逐步提升，研究论文数量得到有效的提高。

图4 排名前5的国家年发文量变化Figure 4 Annual distribution of publications of the top 5 countries/regions

生态网络研究的国家/地区间的合作如图 5所示，从图中可知，除少数国家（地区）外，国际间生态网络研究的合作较密切，中国与欧美等西方国家的合作较为紧密，与澳大利亚等国家的合作也较多，伊朗、巴基斯坦、委内瑞拉、等国家在生态网络研究上仅有少数或单一国家开展合作，俄罗斯开展的相关研究较少。

图5 生态网络研究的核心国家/地区的合作网络Figure 5 Countries/regions collaboration network of ecological networks research

2.2.2 研究机构分布

生态网络研究产出前15的机构如图6所示。北京师范大学以累计发表172篇文献排名第一，其次是中国科学院，发表了78篇。其他排名前15的机构依次为巴西圣保罗大学（65篇）、新西兰坎特伯雷大学（58篇）、墨西哥国立自治大学（58篇）、美国佐治亚州立大学（57篇）、墨西哥韦拉克鲁斯生态研究所（56篇）、瑞士苏黎世大学（56篇）、中国科学院大学（55篇）、丹麦奥胡斯大学大学（54篇）、加拿大不列颠哥伦比亚大学（53篇）、清华大学（52篇）、美国芝加哥大学（47篇）、美国密歇根大学（47篇）和美国俄克拉荷马大学（47篇）。前15个研究机构中，4个来自中国，4个来自美国。

图6 生态网络研究排名前15的研究机构Figure 6 Publications of top 15 ecological networks research institutes

生态网络研的科研机构合作网络如图 7，在生态网络研究合作过程中，机构间合作与国家/地区间的合作趋势相似，西方国家研究结构件合作较为紧密，中国北京师范大学、中国科学院等主要科研机构间联系紧密，同时也与其他国家的机构开展了密切的合作。

图7 生态网络研究的主要研究机构的合作网络Figure 7 Institutions collaboration network of ecological networks research

2.3 主要研究主题

2.3.1 研究主题构成

从2782篇论文的关键词中提取出现频次不小于20次的主题词，以分析生态网络研究的主题及热点方向。图8为生态网络研究中出现频次大于20的前100个关键词的词云，字体越大表示出现频次越高，即表示该关键词（主题）受到的关注度也较高。由图可知，生物多样性（biodiversity）、多样性（diversity）、动力学（dynamic）、稳定性（stability）等是生态网络研究中主要的关注点，气候变化（climate-change）、食物网（food webs）、群落（communities）等也是较受关注的主题。

图8 出现频次大于20的关键词词云（前100词）Figure 8 Words cloud of top 100 keywords

图9展示了出现频次高于20次的关键词的聚类和共现网络，如图所示，生态网络研究的关键词可以分为5个大的主题群：类群1（红色）有35个个主题词，主要为景观网络和生物多样性相关的生态网络研究；类群2（黄色）有34个主题词，主要为气候变化与食物网以及生态系统稳定性等生态网络的研究；类群3（蓝色）有33个主题词，主要为群落结构、微生物网络的研究；类群 4（紫色）有 32个主题词，主要为互惠网络及其网络结构的研究；类群5（绿色）有41个主题词，主要为生态网络分析及其框架模型的研究。表4列出了5个主题聚类的前15个主题词及其词频。

表4 生态网络研究热点主题分布Table 4 Hot topics distribution of ecological networks research

图9 生态网络研究主题聚类及共现网络（词频≥20）Figure 9 Terms clusters of ecological networks research (Keywors occurrence≥20)

2.3.2 高被引文献

生态网络研究被引超过500次的论文见表5，15篇高被引文献中，Science、Nature、美国国家科学院院刊（PNAS）、伦敦皇家学会哲学学报B辑生物版（Proceedings of The Royal Society B:Biological Sciences）等4个期刊各刊登了2篇，Bascompte，Jordi团队和Woodward，Guy团队各自贡献了2篇文献。15篇高被引论文中，5篇是关于食物网、3篇互惠网络、3篇分子网络，3篇关于复杂性和稳定性，这可能与目前生态网络的研究主要集中于食物网、互惠网络及微生物和分子生物学方面有关。

表5 被引超过500次的高被引论文Table 5 Ecological Networks research papers cited more than 100 times

3 讨论与结论

3.1 讨论

生态网络研究作为一个新的研究视角，对于揭示生态系统稳定性、生态因果关系等具有重要作用（Nielsen et al.，2019）。通过对 Web of Science核心数据库中生态网络研究领域的论文进行计量分析，结果表明，数据库中生态网络研究的相关论文主要开始于2007年，且论文数量呈线性增长的趋势进行发展。从 2017年开始，中国论文贡献量超过美国，成为发文量最多的国家，但论文平均引用量较低，因此，国内学者在后期的研究中，应关注提升论文的质量和引用量，从而提高中国研究成果在国际上的影响力。前期主要的论文大多刊登于Ecological Modelling、Ecology Letters、Ecological Indicators等知名生态学期刊上，特别是发文量最多的Ecological Modelling主要关注网络构建模型、网络参数计算等。从实际论文上看，目前生态网络在网络构建、网络参数（指标）选择与估算等方面仍存在许多难点（Lau et al.，2017），特别是不同类型的网络构建、不同生态网络的网络结构特征等方面仍需要持续关注。在应用方面，早期的研究多集中于食物网和植物-动物互惠网络。近年来，随着高通量测序技术的发展在功能基因、微生物分类等方向提供了海量的生物信息数据，生态网络在功能基因分析和微生物生态研究等方面积累了大量的案例（Feng et al.，2022；王宇姝等，2021）。同时，大量公开的遥感数据也为生态网络在景观生态安全格局等方面的应用提供了大量研究案例（郑宏媚，2022），但生态网络研究在其他生态系统的应用仍需要大量的数据作为支撑进行深入的研究。从关键词和主题聚类来看，生态网络的研究多集中于食物网、互惠网络和关键物种识别的生物多样性保护和关键功能基因识别等方面，在气候变化和全球生态系统稳定性等方面的研究相对较少。但近两年来，随着多篇生态网络相关的研究论文在PNAS（Felipe-Lucia et al.，2020）、Nature Climate Change（Yuan et al.，2021）、Ecology Letters（Li et al.，2022；Luna et al.，2022）等气候变化和生态学顶级期刊上的发表，在全球变化日趋严峻的情大背景下，生态网络在全球变化对生态系统影响研究中的应用有望成为未来生态网络研究关注的主要方向。

此外，生态系统是一个复杂的多层系统，其真实网络应为多层网络（Pilosof et al.，2017）。各个网络中又包含了其他的次级网络（即网络中的网络，如，在“社会-生态”构成的复杂系统中，系统包括了社会经济活动构成的社会网络，以及自然环境所构成的自然生态网络（Bodin et al.，2019），各个次级网络中可能还包含了下一级的网络）。网络复杂程度较高，其网络的构建、网络结构特征参数等与单层网络相差甚远（Bianconi，2018）。然而，目前绝大部分研究都是单层网络，因此，在未来的研究中应关注生态系统多层网络的构建、多层网络结构特征分析、多层网络稳定性机制等方面。

3.2 结论

（1）研究共检索出刊载于565个期刊（或书籍）的2782篇生态网络研究的文献，时间跨度为2007—2022年。自2007—2021年期间，相关文献的产出量呈线性增长趋势，生态网络研究论文主要分布在生态学、环境科学和生物多样性保护等学科领域，微生物生态、植物科学和绿色可持续发展等学科方向发文总量不高，但近5年来发文增长速度较快，是目前生态网络研究的重点关注方向；文献主要来源于Ecological Modelling、Ecology Letters、Ecological Indicators、Oikos等生态学领域的知名期刊。

（2）生态网络研究主要分布于西欧、北美和中国，自2017年后，中国相关研究的发文量开始超过美国，成为发文量最高的国家；北京师范大学、中国科学院等单位成为发文量（合著）最高机构；国家/地区、机构之间的合作网络连接紧密，表明生态网络研究主要以合作研究为主，这也是新时代科研的新趋势。

（3）从关键词趋势上看，目前生态网络的研究主要集中于景观网络及生物多样性保护、网络稳定性、微生物群落网络、动物-植物互惠及生物共现网络、生态网络分析的模型及应用等方面；从被引频次最高的文献来看，食物网络、互惠网络、分子网络和稳定性是研究人员较关注的经典领域。

（4）从文献上看，生态网络研究主要应用于物种保护、土地利用和城市规划、微生物群落结构等方面，随着全球气候变化趋势的日益加剧，生态网络在研究全球变化对生态系统影响中的应用有望成为未来生态网络研究的主要方向。同时，因为生态系统是一个复杂的多层系统，其真实网络应为多层网络，因此，在未来的研究中应关注多层生态网络的构建、多层网络结构特征分析、多层网络稳定性机制等方面。