基于VOSviewer文献计量的互花米草研究进展分析

梁嘉慧戴子熠左平钦佩

(1.南京大学地理与海洋科学学院 南京 210023;2.南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室 南京 210023;3.南京大学生命科学学院 南京 210023)

0 引言

滨海盐沼湿地是指分布在海岸或河口附近、受周期性潮水或咸淡水淹没的有草本植被覆盖的淤泥质滩涂[1]。其位于海洋与陆地相互作用的过渡地带,具有动态性和复杂性,同时也是典型的生态敏感带和环境脆弱带[2-3]。滨海盐沼具有减缓海岸侵蚀、为生物提供栖息地与食物来源、调节气候等多种生态服务功能[4-5],对保护滨海盐沼湿地生物多样性和开展盐沼湿地生态修复具有重要的理论与实践意义。

互花米草是禾本科米草属多年生草本植物,耐盐耐淹,适宜在海滩高潮带下部至中潮带上部广阔滩面上生长[6]。互花米草具有很高的初级生产力、环境适应性和抗风消浪能力,因此成为保滩护岸和促淤造陆的先锋种。20世纪中后期,部分国家或地区出于促淤造陆、防风抗浪、保滩护岸、改良土壤、绿化海滩和净化污染物等方面的考虑引种互花米草[7-12]。但同时互花米草因为自身的生理特性,如极强的繁殖能力等,能够以极快的速度蔓延并侵占本地种的生态位、改变生物多样性、影响水产养殖、淤塞港航通道等[9-11],被视为盐沼湿地最具威胁的外来物种之一。2003年互花米草被我国列为入侵物种之一。

经过数十年的争论与研究,学界对互花米草的认知和定位更加理性客观和全面系统。众多专家学者从不同角度对盐沼湿地互花米草的研究进展进行综述总结。解雪峰等[13]总结互花米草入侵对滨海湿地生态系统的生物地球化学循环(碳、氮、磷循环及土壤重金属迁移)和入侵地生物群落(微生物、植物和动物)的影响;栾兆擎等[14]梳理互花米草对水文环境变化的生理生态和空间格局响应等方面的国内外研究进展;谢宝华等[15]归纳低值化利用(肥料化、原料化、饲料化、燃料化及基料化)与高值化利用(药用价值和耐盐基因)的互花米草资源化利用方式;钦佩[7]阐述互花米草提取物与人体健康的关联,并从互花米草中提取有益物质应用于慢性病防治;谢宝华等[16]从物理防治、化学防治、生物防治、生物替代防治、综合防治和防控策略6个方面综述互花米草防治的最新研究进展并分析相关技术方法的不足;李富荣等[17]总结互花米草对重金属的富集特性及其影响因素。已有文献大多以综述的方式总结互花米草相关领域的研究进展,鲜见文献计量学方法与可视化知识图谱的定量化研究。

为全面和深入了解盐沼湿地互花米草的研究历程、热点议题和发展趋势,本研究通过梳理Web of Science核心合集数据库收录的相关期刊论文,基于VOSviewer软件的文献统计处理功能,分析该领域的发文量与被引频次、主要涉及学科与期刊、研究力量、国际合作情况和研究热点,总结1972—2020年国内外对互花米草的研究进展,以期为相关领域的研究方向与热点问题等提供一定的参考。

1 数据来源与处理

1.1 数据来源

本研究以Web of Science核心合集数据库中的文献为数据来源,分析盐沼湿地外来物种——互花米草的研究热点与发展趋势。基于该数据库,以TS=(Spartina alterniflora*or biological invasion*or ecosystem engineer*or alien species*)和TS=(salt marsh*)为检索式,以Article为文献类型,以1900—2020年为检索时间进行高级检索,共得到2 299篇英文文献(自1972年起有文献数据记录,检索时间截至2021年9月29日),将其全记录以文本格式导出,作为本研究的研究数据。

1.2 数据处理

根据搜集到的2 299篇文献,在Excel软件中整理并计算不同年份国内外发表的论文总篇数与被引频次,分析盐沼湿地互花米草研究的发展态势。根据Web of Science自带的分类体系,统计主要发文期刊、学科、开展研究的国家及机构。运用VOSviewer软件深入挖掘文献信息,对国际合作频次和主要关键词等进行共现分析。

2 文献计量分析

2.1 发文量与被引频次

发文量与被引频次在一定程度上可以体现某领域研究的发展速度和变化趋势。1972—2020年盐沼湿地互花米草研究的发文量与被引频次整体呈上升趋势:发文量由1972年的1篇增加到2020年的161篇,共发文2 299篇,年均发文47篇;被引频次由1973年的1次增加到2020年的8 578次,总被引80 546次,年均被引1 644次。

从年份来看,1972年起陆续有相关文献发表,1990年前发文量增长缓慢,此后小幅波动上升,2004年开始激增至今,在35%的时间内发表71%的论文。根据发文量与被引频次的时间变化特点及趋势,盐沼湿地互花米草研究可划分为3个阶段(图1)。

图1 1972—2020年盐沼湿地互花米草研究的发文量与被引频次

阶段Ⅰ(初步萌芽),1972—1990年。发文量为0～10篇,年均发文3篇;被引频次为0～110次,年均被引50次;发文量与被引频次呈极缓慢增长态势。

阶段Ⅱ(孕育发展),1991—2004年。发文量由45篇增加到54篇,年均发文46篇;被引频次由118次增加到1 424次,年均被引680次;发文量与被引频次明显增加,时有波动,整体呈稳定上升趋势。这可能是由于20世纪90年代生态学界逐渐兴起生物多样性保护和入侵生物学研究,而互花米草作为影响较大的外来物种开始备受关注[7]。

阶段Ⅲ(快速发展),2005—2020年。发文量由66篇增加到161篇,年均发文99篇;被引频次由1 677次增加到8 578次,年均被引4 379次;相关研究暴发式增长,发展速度较快。2000年世界自然保护联盟(IUCN)公布全球最具威胁的100种外来入侵物种,互花米草被列入;2003年我国公布首批外来入侵物种名单,互花米草作为唯一的盐沼植物名列其中[15],在一定程度上提升学界对互花米草的关注与研究热度。

2.2 学科与发文期刊

根据Web of Science的学科分类统计,1972—2020年共有46个学科领域涉及互花米草研究(表1)。发文量超过80篇的有10个学科,以生态学、环境科学、海洋与淡水生物学占绝对优势,发文量分别占总发文量的38.4%、37.5%和35.8%。

表1 发文量超过80篇的学科

出版盐沼湿地互花米草研究的期刊共342个,发文量排名前5名的期刊如表2所示。

表2 发文量排名前5名的期刊

《Estuaries and Coasts》创办于1977年,涉及河口和近岸水域物理、化学、地质及生物系统等研究;《Marine Ecology Progress Series》于1979年在德国创办,是国际领先的海洋生态学综合期刊;《Estuarine Coastal and Shelf Science》于1981年在英国创办,是国际化多学科期刊,致力于河口海岸与陆架区域的海洋科学研究。这些期刊均为学界专业刊物,具有极高的认可度和影响力。

2.3 主要发文国家与国际合作

发表互花米草相关文章的国家有51个,包括美国、中国、荷兰、阿根廷、加拿大、英国和澳大利亚等。通过对发文国家与机构的综合分析,可以发现发达国家在互花米草领域的研究实力明显强于发展中国家,且研究集中于美洲、亚洲、欧洲与大洋洲的沿海地区。其中,美国的发文量居世界第一,共1 444篇,占比62.8%,处于主导地位,主要研究力量包括路易斯安那州立大学、佐治亚大学、南卡罗来纳大学哥伦比亚分校和美国地质调查所;中国其次,占比19.2%,主要研究力量包括中国科学院、南京大学与复旦大学。

根据文献全记录数据,利用VOSviewer软件绘制国际合作网络图(图2)。其中,相关国家所在的圆圈越大,表示发文量越多;连接线越粗,表示国际合作频次越高。由图2可以看出,互花米草研究的国际合作集中在主要发文国家之间。拥有众多研究机构以及科研实力强大的美国与38个国家达成合作,国际合作频次314次,位居世界第一,在该领域贡献突出。中国紧随其后,与29个国家达成合作,国际合作频次203次,与美国有所差距但领先于众多发达国家。再次是英国、葡萄牙和荷兰,分别与22个、19个和19个国家达成合作。值得一提的是,南非以18个合作国家位列第八名,成为唯一跻身前20名的非洲国家;南非在该领域虽发文量较少,但与其他国家合作较多,通过国际合作谋求共同发展,提升在互花米草领域的研究实力。

图2 互花米草研究的国际合作网络

2.4 关键词

关键词是对论文研究内容的凝练与高度概括,出现频次较高的关键词在一定程度上能够体现该研究领域的研究热点[18]。对关键词进行同义合并与修改后,利用VOSviewer软件筛选出现频次大于20次的关键词共286个,设置每类至少包括30个关键词,进行互花米草相关论文关键词的共现分析,可知1972—2020年出现频次较高的关键词依次为互花米草、盐沼、生长、动力、植被、沉积物、湿地、河口、盐度、生态系统、芦苇和修复等。根据聚类结果,该领域的研究主题包括4个主要方向。

(1)互花米草对滨海湿地生态系统的影响,代表关键词包括芦苇、海草、栖息地、稳定同位素、河口、食物网、丰度、扩张、底栖微藻、鱼类和甲壳类动物。涉及互花米草入侵对潮滩生境与当地生物群落的影响,包括对潮滩水动力和沉积过程的影响[19],原生植物(芦苇等)分布与景观格局变化[20],动物(大型底栖动物、鱼类和鸟类等)食物网与营养结构的动态响应[21-23],微生物多样性、丰度及功能群落组成的变化特征[24-25],以及稳定同位素技术在生态系统食物链及食物网中的贡献等[26-27]。

(2)互花米草在盐沼中的生物地球化学循环过程,代表关键词包括动态、氮、碳、磷、有机质、土壤、生物量、分解、堆积、富营养化、养分和重金属。聚焦互花米草对盐沼碳[28]、氮[29-30]、磷和硫[31]等元素生物地球化学循环的影响,枯落物分解[32-33]以及重金属富集[34]等。

(3)气候变化对互花米草生理生态的影响,代表关键词包括生长、植被、湿地、盐度、恢复、气候变化、响应、海平面上升、生产力、光合作用和顶梢枯死。主要关注互花米草在应对全球气候变暖与海平面上升过程中在生理生态上的适应与响应[35]。该部分研究内容较多,涉及互花米草的生理特性[36-38],互花米草地理变异及扩张速率的影响因素[39],互花米草生长策略对人工地形改变的适应[40],以及季节性变化对互花米草光合作用的影响机制等[41]。

(4)互花米草所在生态系统的种群间相互作用,代表关键词包括群落结构、生物多样性、竞争、入侵、植物分带性、扰动、演替、杂交和繁殖。研究主题包括种群演替及生态效应[42-44]、种间相互作用[45-47]以及生态系统的生物多样性[19,48]等。

2.5 研究重点

根据上述研究热点的发展阶段,分时段对盐沼湿地互花米草相关文献的关键词进行共现分析,进而归纳和总结各发展阶段的研究重点。

(1)1972—1990年共现统计的关键词主要包括碳、碎屑、枯落物分解、动力和氮,出现频次多为1次。该阶段成果主要由美国发表,对互花米草及其枯落物在盐沼湿地中生长与分解的动态过程和影响因素进行初步研究[49-53]。

(2)1991—2004年高频关键词大大增加,开始出现恢复、海平面上升、外来入侵物种、盐度、种群、分带性、捕食、丰度和稳定同位素等关键词。该阶段研究聚焦于互花米草对生态系统的影响及其生物地球化学循环过程。随着发文量的增加,研究区域也扩展到河口与海岸海湾地区,美国沿海地区开展大量相关研究。中国在此阶段共发表13篇英文文献,主题包括江苏盐沼互花米草的形成[54]、互花米草在滩涂围垦中的作用[55]以及互花米草与本地植物的竞争作用及生态影响[56]等。

(3)2005—2020年高频关键词包括植被、生长、动力、湿地、氮、盐度、芦苇、海平面上升、沉积物、气候变化、恢复、生态系统、种群、长江口和竞争等。该阶段研究内容剧增且交叉融合显著,互花米草对生态系统的影响与生物地球化学循环过程等仍是热点主题;同时,学者更多地将互花米草与和其同为本地种和外来种的芦苇[57]进行对比研究,涉及群落演替和生态修复[58-60]、生物地球化学循环[61-62]等方面。此外,海平面上升与气候变化的出现频次急剧升高,在全球气候变化背景下,互花米草对温室气体排放及碳储量的影响得到的关注日益增多。中国有关互花米草的研究在此期间发展迅速,共发文442篇,占总发文量的27.83%,其中长江口[63-64]为热点研究区域。

2.6 研究趋势

总体来看,近年来互花米草研究的发展趋势主要表现为3个方面。

(1)逐渐关注互花米草在生理生态、生物地球化学循环和种群结构等方面对全球气候变化的响应与耦合。自20世纪90年代起,海平面上升、种群、分带性和丰度等关键词开始出现。在286个关键词中,海平面上升(出现频次为169次)和气候变化(出现频次为131次)分别排在第十位和第二十一位。在全球气候变化的背景下,温室气体排放增加、海平面上升、海洋酸化、气候灾害频发以及生物多样性受损,互花米草的生理特性和扩张机制等在响应过程中的变化又将深刻影响盐沼湿地生态系统与环境。

(2)逐渐关注滨海盐沼湿地生态系统的恢复与修复。随着人类沿海开发围垦、自然资源掠夺性利用和环境污染等因素的加剧,滨海湿地生态系统受到严重威胁。据统计,全球约已有50%的盐沼、35%的红树林和29%的海草丧失或退化[65]。因此,评估人类活动及互花米草入侵造成的影响、恢复盐沼湿地的生态服务功能以及维护入侵地的生态平衡成为重要议题。

(3)逐渐关注互花米草的固碳效应与温室气体的排放通量。互花米草具有较长的生长季、较大的叶面积指数、较高的净光合作用速率和较大的生物量,故其固碳作用非常明显[9]。有研究认为,互花米草入侵增加甲烷温室气体的排放,在一定程度上影响区域气候变化[66],亟须进一步科学评估互花米草在碳循环过程中对碳源和碳汇的贡献。

3 结语

本研究利用VOSviewer软件对1972—2020年盐沼湿地互花米草领域的英文文献进行文献计量分析,主要得出4点结论。①自1972年以来,互花米草受到的关注日益增加,发文量与被引频次都呈大幅上升趋势;②生态学、环境科学以及海洋与淡水生物学等是主要的学科领域,《Estuaries and Coasts》等是该领域的主要发文期刊;③美洲、亚洲、欧洲与大洋洲发表相关论文的国家和机构较多,美国的发文量和国际合作频次皆居世界首位,中国位居第二;④主要研究方向集中于互花米草对滨海湿地生态系统的影响、互花米草的生物地球化学循环过程、环境因子与互花米草的生理生态以及互花米草盐沼生态系统的种群间相互作用。

已有的众多研究表明,互花米草的入侵显著增加盐沼湿地的有机质含量与固碳能力[13,67-69]。布乃顺等[67]在长江口崇明东滩湿地的研究中得出,高潮滩互花米草群落植物的碳储量为(3.35±0.08)(kg·C)/m2,0～100 cm深度土壤的总碳储量和有机碳储量分别为(18.05±0.15)(kg·C)/m2和(5.52±0.18)(kg·C)/m2,显著高于本地种群落。作为目前我国滨海盐沼湿地的典型植物,互花米草的碳储量和碳汇能力对于蓝碳缓解全球变暖具有重要意义[69]。结合我国已有研究的探索实践以及生态文明建设战略,未来我国互花米草领域的研究重点应主要集中于3个方面。①互花米草的固碳效应和温室气体的排放通量;②开展应对气候变化的长时序监测,厘清滨海湿地生态系统对互花米草不同入侵阶段的响应差异;③推进米草产品的产业化,探索治理与利用相结合的生态管控方法与技术。