基于WOS引文数据库对草地碳氮库研究文献的计量分析

A Quantitative Analysis of Research Literature on Grassland Carbon and Nitrogen Pools Based on WoS Citation Database

摘要: 草地是巨大的碳氮库，是陆地生态系统的重要组成部分，对保障粮食安全、生态安全具有极其重要的作用。为了解该领域研究态势，本文运用文献计量方法，基于Web of Science核心数据库中2008~2021年有关草地碳氮库的2064篇文献作为数据源，利用Vosviewer和HistCite引文分析软件对发文量、被引频次、作者、国家(地区)和机构、期刊和被引期刊、作者和被引文献、关键词进行共引分析。结果表明：1) 全球范围内草地碳氮库领域文献发表数量整体呈上升趋势。2) 中国、美国、德国等国家在草地碳氮库研究领域发文量较多，具有较大的影响力。3) 草地碳氮库研究论文主要发表在Soil Biology and Biochemistry、Plant and Soil、Geoderma、Agriculture Ecosystems and Environment及Catena等专业性较强的期刊，得到了领域内学者的认可。4) Han XG、Hobbie SE、He NP、Luo YQ等是草地碳氮库研究的主要贡献者，中国科学院、中国科学院大学、西北农林科技大学等单位在发文机构合作间的节点上发挥了重要作用，并形成草地碳氮库研究的网络核心。5) 研究热点主要集中在人类活动和气候变化对草地土壤碳氮储存、植被、微生物生物量影响等方面。研究结果较为客观地反映草地碳氮库研究领域的研究热点及其主题结构，为科研人员分析草地碳氮库研究领域及其子领域的主题结构及研究趋势提供一些思路。

Abstract: Grassland is an important part of the terrestrial ecosystem, which contains huge carbon and ni-trogen storage and plays an extremely important role in ensuring food security and ecological security. In order to understand the research situation in this field better, literature metrology method was used in this study. This study is based on the data sources of 2064 literatures on grassland carbon and nitrogen pools from 2008 to 2021 in the Core database of Web of Science. We analyzed the number of publications, cited frequency, authors, countries (regions) and institutions, journals and cited journals, authors and cited literatures, and keywords co-citation through Vosviewer and HistCite citation analysis software. The results showed that: 1) The number of literatures published in grassland carbon and nitrogen pools was increasing globally. 2) China, the United States and Germany published a large number of papers on grassland carbon and nitrogen pools, which had a great influence. 3) The research papers on grassland carbon and nitrogen pools have been published in the professional journals, such as Soil Biology and Biochemistry, Plant and Soil, Geoderma, Agriculture Ecosystems and Agroecosystems Environment, Catena, and have been recognized by scholars in the field. 4) Han XG, Hobbie SE, He NP and Luo YQ were the main contributors to the grassland carbon and nitrogen pool. Chinese Academy of Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Northwest A&F University and other institutions played an important role in the cooperation between institutions, and formed the network core of grassland carbon and nitrogen pool. 5) The research focuses on the effects of human activities and climate change on soil carbon and nitrogen storage, vegetation and microbial biomass of grassland. Our results objectively reflect the research hotspots and theme structure of grassland carbon and nitrogen pools, and provide some ideas for researchers to analyze the theme structure and research trend of grassland carbon and nitrogen pools and its sub-areas.

1. 前言

全球草地面积为3.50~5.25 × 10⁹ hm²，约占陆地面积的26.0%~40.5%，不仅提供饲草饲料支撑畜牧业发展，在防风固沙、水土保持、水源涵养及生物多样性保护中扮演着至关重要的角色 [1] [2] ，在气候调节和全球碳循环中也有重要作用 [3] 。近年来，由于不科学的土地利用(如过度放牧)和气候变化导致草地退化严重，影响草地畜牧业发展，甚至对生态环境造成灾难性的破坏 [4] 。

草地土壤是巨大的陆地碳氮库，约占全球土壤总碳储量的30% [5] [6] 。研究发现，中国的森林、灌丛和草地生态系统的总氮储量为6803.6 Tg N，其中6635.2 Tg N (97.5%)储存在土壤(1 m深度)中，156.7 Tg N储存在植被(2.2%)中，11.7 Tg N (0.2%)储存在凋落物中 [7] ，草地贡献了三分之一的陆地净初级生产力 [8] 。土壤有机碳不仅为植物生长提供营养元素 [9] ，还可以维持土壤良好的物理结构，其储量的微弱变化会导致大气圈中CO₂浓度发生较大变化，从而直接影响全球碳平衡格局 [10] 。草地土壤养分相对贫乏，加上放牧和刈割所造成的营养物质流失，使得草地生态系统明显受到养分供给限制 [11] 。氮素作为草地生态系统重要的营养物质，不仅是植物有机体蛋白质和核酸的重要组成元素，还是生态系统净初级生产力的限制因子 [11] 。在氮循环过程中，植物主要从土壤中吸收氮素成分促进生物量的生长和累积，在生长过程中向外界分解和释放氮，但不同物种氮的吸收速率、凋落物质量以及单位面积生物量存在显著差异，直接制约着氮在生态系统内部的转化 [12] 。草原生态系统是影响碳氮循环和气候的全球关键调节因素 [13] ，在陆地生态系统碳循环中发挥着不可忽略的作用。植被作为主要的温室气体吸收体，植物能进行光合作用吸收大气中的CO₂，一方面为自身新陈代谢提供原料，提高地上部分生物量 [14] ；同时通过地表凋落物、根系周转以及根系分泌物将光合产物分配给土壤，提高地下部分的生物量和碳储量，另一方面又通过植物自身的呼吸作用和土壤呼吸向大气中释放出CO₂ [15] 。

尽管当前草地碳氮库的文章已有很多，但是，对草地碳氮储量估算仍然有限，导致在预测这些地区碳-气候反馈的大小和方向方面存在相当大的不确定性 [16] [17] 。因此，本文以Web of Science (WoS)核心合集中的Science Citation Index (SCIE)数据库为数据源，检索了2008~2021年间有关草地碳氮库的研究论文，并对其进行了文献计量分析，以期揭示14年来草地碳氮库的研究领域及其发展态势，旨在推动相关学者开展深入研究，为草地生态恢复和未来发展提供参考。

2. 材料与方法

2.1. 数据收集

Web of Science是一个综合多学科核心期刊的数据库。本文来源于Web of Science核心合集(Science Citation Index Expanded, SCIE)数据库。WoS数据库是一个综合性数据库(包含SCI、SSCI和A&HCI)，收录了全球256个学科的12000多种高影响力学术期刊和超过17万的国际学术会议论 [18] 。以“(TI = (grassland or meadow or lawn)) AND ((carbon or C) AND (pool or storage)) AND ((nitrogen or N) AND (pool or storage))”为主题词进行检索，检索时间跨度为2008~2021，文献类型为Article和Review，检索时间为2022年1月17日，共检索出2064篇相关研究文献，导入HistCite软件的文献共2063篇，涉及6996位作者，97个国家，4356个研究机构，1910种期刊，3377个关键词，64129篇参考文献。

2.2. 研究方法

利用Web of Science的分析检索工具，对检索到的文献进行分类储存，运用Excel 2019对年发文量、发文国家、发文机构、期刊、发文作者等进行统计，同时使用HistCite引文分析软件、VOSviewer可视分析软件及Origin2021Pro作图软件，对2008~2021期间草地碳氮库发文量随年度变化趋势、主要发文期刊、国家、机构、作者、关键词分析、研究热点等方面进行计量分析。History of Cite (HistCite)软件是由Garfield为主开发的一款引文图谱分析可视化软件，软件的操作过程简单，便于分析 [19] 。它的指标主要有 [20] ：1) 本地被引频次(Local Citation Score, LCS)，即在所属领域内的研究次数；2) 全球被引频次(Global Citation Score, GCS)，即该文章被整个WoS数据中所有文献被引用的次数；3) 本地总被引频次数(Total Local Citation Score, TLCS)，即在当前的数据集中，文献被引频数之和。例如一篇文献的LCS值很高，说明该文献在该研究领域里具有较高的影响力，很可能是该领域的开创性文章。而GCS值很高，说明该文献被世界上众多学者关注，引用这篇文献的文章则可能与作者的研究方向关系不大，但GCS会跟踪和记录数据 [21] 。VOS viewer知识图谱绘制工具是由Nees Jan van Eck和Ludo Waltman开发的一款免费为学者服务的软件 [22] 。运用该知识图谱绘制工具对关键词、作者进行分析，计数方法设置为Full counting (全计数)并添加词表用以清洗数据，设置词条最小出现频次，最终形成图谱。将图形信息和可视化理论与传统文献计量学中的词频共现技术相结合，在视觉显示特别是聚类方面具有独特的优势。

3. 结果与讨论

3.1. 时间发展脉络

学术领域的发文数量在一定程度上代表该领域在近年来被关注的趋势 [23] 。为了准确认识草地碳氮库研究现状，本文利用Web of Science数据库对2008~2021年间发文量变化趋势进行分析。草地碳氮库研究的论文发表数量整体呈上升趋势，但发展较为缓慢(图1)。值得注意的是，在2019年达到201篇，随后出现下降趋势。

Figure 1. Annual publication volume of grassland carbon and nitrogen pools from 2008 to 2021

图1. 2008~2021年草地碳氮库年度发文量

3.2. 发文来源分析

检索到的2064篇论文来源于1910种期刊，发文量较多的期刊是专业性较强的Soil Biology and Biochemistry、Plant and Soil和Geoderma，排名前10位的期刊发文量之和为710篇，占中文论文总数的34.40%，高于其他期刊的刊出量，是草地碳氮库研究成果的重要载体。排名前10的期刊中，荷兰出版的占50%，且影响因子(IF)在4.192~7.963，办刊质量较为出色(表1)。

Table 1. Top 10 Journal of grassland carbon and nitrogen pools

表1. 草地碳氮库研究领域发文量排名前10的期刊

3.3. 主要作者及其合作关系

2064篇中文论文共有6996名作者参与。发表论文最多的作者是Han XG，共发文28篇，占总发文量的1.36%，其次是Hobbie SE，共发文22篇，占总发文量1.07%；He NP和Luo YQ均发表21篇，占总发文量的1.02%，但He NP发文的TLCS高于Luo YQ (表2)。由图2可以看出，作者间的发文合作离散程度较高，主要以同一单位的研究团队为主，不同单位、不同团队交流合作较少。

Table 2. Top 10 authors in the field of grassland carbon and nitrogen pool research

表2. 草地碳氮库研究领域发文量排名前10的作者

3.4. 主要研究力量

3.4.1. 国家及国际合作

论文被WoS数据库收录的文章数量和被引频次数能够反映一个国家整体的科研水平 [21] 。目前，全世界共有97个国家的研究人员发表了有关草地碳氮库的研究论文，发文量排名前十的国家分别是中国、美国、德国、英国、澳大利亚、法国、加拿大、瑞士、西班牙和新西兰，中国是发文数量排名第一的国家，发文量为816篇，占总发文量的39.53%，本地总被引频次(TLCS)达2139次，说明中国学者对草地碳氮库研究关注度较高，论文的创新性和影响力较高，受到领域内学者们的认可。美国的总发文数量排名第二，为606篇，TLCS为1606次(表3，图3)。其中，中国和美国、德国、加拿大合作较为密切(图4)。

Figure 2. The network diagram of the cooperation relationship between authors of papers with the theme of grassland carbon and nitrogen storage

图2. 主题为草地碳氮库论文作者合作关系网络图

Table 3. Top 10 Country in the field of grassland carbon and nitrogen pools

表3. 草地碳氮库研究领域发文量排名TOP 10的国家

注：Weights = Documents；圆圈大小表示国家发文量；连线粗细越宽表示国家之间合作程度越密切；不同颜色代表不同聚类，共6个聚类；共有1864条连线，此图仅显示430条连线。

Figure 3. Map of major countries and cooperation of grassland carbon and nitrogen pool research

图3. 草地碳氮库研究领域重要发文国家及合作关系图谱

注：所占份额越大，发文数量越大；与其他国家连线越宽，表示联系越紧密。

Figure 4. Annual publication volume of grassland carbon and nitrogen pools from 2008 to 2021

图4. 2008~2021年草地碳氮库主要发文国家及合作关系

3.4.2. 发文机构

经VOS viewer统计，共出现了4356个研究机构，发文量前20的研究机构中，中国科学院是发文数量最多的机构，发文量(456篇)和TLCS (1498)均最高，发文量占22.53%。其次是中国科学院大学和西北农林科技大学(表4)，表明中国科学院在草地碳氮库研究领域做出了突出的贡献。中国科学院与兰州交通大学、中国农业大学等243个机构有较为紧密的合作(图5)。

注：Weights = Documents；圆圈大小表示国家发文量；不同颜色代表不同聚类，共12个聚类；共有3393条连线，此图仅显示2051条连线。

Figure 5. Map of major institutions and cooperation of grassland carbon and nitrogen pool from 2008 to 2021

图5. 2008~2021年草地碳氮库研究领域重要研究机构及相互间合作关系图谱

Table 4. Top 20 institutions in the field of grassland carbon and nitrogen pools

表4. 草地碳氮库研究领域发文量排名TOP 20的研究机构

3.5. 经典文献分析

本文以LCS为标准对排名前十的文献进行统计分析，发现前十的发表文献年份集中在2008~2017年，其中被引频次最高的是综述文章(表5)，原因在于综述文章对所研究的问题进行归纳、分析、总结，为进一步从事科学研究和论文写作打下了坚实的基础。如美国作者Megan E. McSherry发表的“Effects of grazing on grassland soil carbon: a global review”(被引频次最高)，总结分析了土壤碳库受到年均降水量、土壤类型、草种组成、放牧强度、研究持续时间和土壤采样深度等的影响，对前人的研究成果进行了高度的概括和总结 [24] ，得到了学者们的认可。在影响力排名前10的文献中，被引频次前十的文献中有4篇来自Global Change Biology期刊，可见该期刊在该学术领域具有非常重要地位和影响力。利用HistCite对研究文献进行引文编年图分析，通过软件中Graph Maker功能，可以分析该研究领域文献之间相互引证的关系，绘制出某个研究领域的研究历史轨迹、发展规律和未来趋势 [25] 。以LCS count为条件，设置节点数为30，可绘制出草地碳氮库研究文献的引文编年图，从而洞察某个领域的发展脉络。图6显示该领域影响力最高的30篇文献的发表时间、发展历程和互引关系。编号601的文献被引次数最高，其次是编号238、编号202和编号209。

Table 5. Top 10 articles published in the field of grassland carbon and nitrogen pool research

表5. 草地碳氮库研究领域发文影响力排名TOP 10的文章

注：图中左侧一列是文献发表年份，与年份平行的圆圈代表当年发表的文献，其中圆圈中的数字为文献编号，圆圈大小可分析文献被引频次(圆圈越大表示被引次数越多)，它与LCS 值成正比，通过圆圈之间的箭头分析文献间的引用关系。

Figure 6. Citation analysis of major journals of grassland carbon and nitrogen pool from 2008 to 2021

图6. 2008~2021年草地碳氮库研究领域重要期刊引文分析图

3.6. 关键词共现网络

关键词可以反映出该文章的主要研究方向，关键词出现的频次可以反映该研究领域的成果数以及该研究领域的研究热点和方向 [11] 。通过引文网络分析Vos viewer对该研究领域的关键词出现频次 > 10的进行统计分析，如图7所示，本研究的主题词是碳氮库(carbon nitrogen storage)在该研究领域占据了重要的地位，排名前6的关键词依次为nitrogen、grasslands、dynamics、storage、carbon、sequestration。蓝色聚类组内的核心词汇为氮(nitrogen)、草地(grassland)和封存(sequestration)等，红色聚类组内核心词为碳(carbon)、生物量(biomass)、响应(response)等，紫色聚类组内核心词为储存(storage)、气候(climate)等，黄色聚类组内核心词为有机碳(organic carbon)、植被(vegetation)等，主要是研究气候变化对土壤和植被碳氮库的影响。综上，可以看出，当前学者们对土壤碳氮库的影响因素 [26] 以及土地利用变化 [27] 对有机碳的变化进行了着重研究，但微生物与草地退化在土壤有机碳变化中的调控机制尚不明确 [28] 。

注：Weights = Documents；圆圈大小表示国家发文量；不同颜色代表不同聚类，共7个聚类；共有95932条连线，此图仅显示45442条连线。

Figure 7. Co-occurrence network map of major keywords of grassland carbon and nitrogen pool from 2008 to 2021

图7. 2008~2021年草地碳氮库研究领域重要关键词共现网络关系图谱

3.7. 研究热点的演变

为进一步了解研究关键词的动态变化，我们对2008~2021年最热关键词的演变进行了评估。由图8可知早期对草地碳氮库的研究集中在CO₂浓度升高、矿化、氮沉降、栽培、硝化作用等方面，近年来研究逐渐偏向化学计量学、青藏高原、草地退化、蓝碳等研究方向，并涉及到土壤、微生物、植被、大气等诸多研究对象。

注：Weights = Documents；圆圈大小表示国家发文量；不同颜色代表不同聚类，共6个聚类；共有95932条连线，此图仅显示45442条连线。

Figure 8. Evolution map of key words in grassland carbon and nitrogen pool from 2008 to 2021

图8. 2008~2021年草地碳氮库研究领域关键词演变图谱

4. 结论

通过文献计量法对草地碳氮库的研究进行分析，结果表明：近十几年来有关草地碳氮库研究的文献数量呈缓慢增长的趋势。中国总发文量最大且与其他国家合作密切，其中，中国科学院是发文数量最多的研究机构。该领域的论文主要发表在Soil Biology and Biochemistry、Plant and Soil、Geoderma、Agriculture Ecosystems and Environment及Catena等专业性较强的期刊。

当前草地碳氮库的研究方向不断转化，研究内容的广度和深度不断得到拓展，研究对象呈现出多样性，如植被、微生物、土壤、大气等。草地碳氮库的研究尺度涉及到群落、生态系统、景观、区域和全球等，由于影响草地碳氮库的影响因子较多，如土壤类型、土地利用变化、气候变化等，因此，外部环境条件对土壤碳氮周转及其时空分布状况具有重要影响。

综上所述，不同条件下的草地碳氮库的研究需更有针对性和综合性：今后应更加注重草地碳氮库在不同环境因素、不同土地利用条件下的内在机制研究，为全球碳氮储量、碳氮周转与循环模型提供准确的参数与路径，对缓解温室效应、提高草地氮碳储量和探明土壤碳氮稳定性机制提供研究思路和理论依据。

基金项目

国家自然科学基金项目(41701081, 42061013)，贵州省基础研究计划项目(黔科合基础[2018]1076)。

NOTES

^*通讯作者。