基于Web of Science的國際海草研究文獻計量評價

周元慧,胡 剛,張忠華,陶旺蘭,王俊麗,付瑞玉

1 廣西師范學院北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室,南寧 530001 2 廣西師范學院廣西西江流域生態環境與一體化發展協同創新中心,南寧 530001 3 廣西師范學院地理科學與規劃學院,南寧 530001

海草(Seagrass)是生長于淺海和河口區域的大型沉水高等植物,是唯一可以在海水中完成開花、結實和萌發等生長發育過程的單子葉被子植物[1-2]。全球海草廣泛分布于溫帶北大西洋區系、溫帶南大西洋區系、溫帶東太平洋區系、溫帶西太平洋區系、地中海區系、加勒比海區系、印度-太平洋區系、南澳大利亞區系和新西蘭區系共9大區系[3]。海草與周圍環境所形成的海草場(Seagrass meadow),與紅樹林和珊瑚礁共同構成3類最典型的近海海洋生態系統。海草場是生物圈中最具生產力的水生生態系統之一,具有多種重要的生態服務功能,主要表現在凈化水質、提供生物棲息地和生態系統營養循環等方面,維持著近海海域生態環境和海洋漁業資源的安全[4]。目前,已知的全球海草場面積約為30—60萬 km2,海草種類約有6科12屬72種[5-6],而我國現有的海草場面積約為87.651 km2,已知有海草22 種,隸屬于4科10屬,主要分布于南海海草分布區及黃渤海海草分布區[7-8]。我國海草科、屬和種的數量分別占世界科、屬、種總數的66.7%、83.3%和30.6%。由于長期以來海草與人類的生活聯系并不直接相關,所以對海草的認識、研究及保護相對不足,如今因人為直接或間接破壞活動以及自然因素的雙重影響,全球海草種數和海草場面積正急劇減少,海草生存狀況面臨嚴峻考驗[9]。因而,在海岸帶人為干擾加劇和全球變化的背景下,亟待加強海草以及海草場生態系統的研究。

文獻計量學是評價科學研究成果的重要方法,以文獻的外部特征為研究對象,運用一定的數理統計方法進行定量分析,能客觀地反映學科領域的研究現狀和發展態勢[10]。目前,文獻計量分析在生態學研究領域中已得到較為廣泛的應用。例如,Liu等[11]、陳寶明等[12]、楊紅玉等[13]利用Web of Science(WoS)和(或)CNKI數據庫為數據源,分別檢索了不同年份間發表的有關全球生物多樣性、外來生物入侵、植物共生信號的成果報道,從文獻計量視角(包括文獻的作者、國家、期刊等)分析并揭示了各研究領域的現狀、進展及發展趨勢。此外,在三峽消落帶生態系統[14]、草地退化[15]、全球北極底棲生物[16]、生態修復[17]、水生微生物生態學[18]、生態足跡[19]等多個生態學研究領域均有相關文獻計量分析的報道。近些年,紅樹林[20]、灘涂濕地[21]等方面已有文獻計量分析研究,而對于海草研究的文獻計量分析僅見于10年前的1篇報道[22],且該報道僅分析了1989—1997年間的文獻信息,這在很大程度上阻礙了我們對國際海草研究歷程與現狀、趨勢與熱點問題的客觀分析與評價。為此,本文基于信息檢索、文獻計量分析和信息可視化方法,對1983—2017年間WoS核心合集數據庫中收錄的海草研究相關文獻進行較為全面的計量分析和評價。本文的研究目的包括：(1)從年度發文量,研究力量(國家、機構、作者、期刊),研究熱點與主題等方面揭示國際海草研究的基本規律；(2)從多個視角解析國際和國內學者在海草領域的研究態勢,為未來海草相關研究提供參考與建議。

1 研究方法

WoS是全球最大、覆蓋學科最多的綜合性學術信息資源庫,收錄了自然科學、工程技術、生物醫學等各個研究領域11000多種世界權威且高影響力的學術期刊。本研究的數據全部采集于WoS核心合集中的Science Citation Index Expanded(SCI-E)數據庫,以主題TS=“seagrass”為檢索策略,檢索時間跨度為1983—2017年,共檢索出9172篇有關海草研究的文獻,其中標準論文8576篇,會議論文400篇,綜述326篇,會議摘要83篇,簡報66篇等。文獻發表的語言以英文為主,共計9063篇,占檢索文獻總數的98.81%。

對檢索到的9172篇文獻的年度發文量變化、發文國家、機構、作者、期刊分布以及關鍵詞等進行分析。利用WoS數據庫自帶的文獻分析功能和專業文獻計量分析軟件Ucinet[23]、NetDraw[24]進行文獻數據的可視化表達。Ucinet是一款社會網絡分析軟件,由美國肯塔基州立大學Steve等人開發,應用Ucinet軟件可以讀取多種格式文件的功能,可將Excel文件轉換成NetDraw可讀格式文件。NetDraw是Ucinet的內嵌軟件,能進行一維與二維數據分析,具有直觀的圖形化顯示功能,可繪制反映網絡節點之間關系的網絡關系圖。將WoS核心庫中檢索出的9172篇海草研究文獻信息以文本文件形式保存,導入到文獻計量分析軟件Citespace[25]中得出二維矩陣,再導入Ucinet和NetDraw中分析得到國家、機構和作者間的合作關系以及高頻關鍵詞的關聯關系的可視化圖譜。

2 結果與分析

2.1 年度發文量的變化趨勢

1983—2017年間海草研究文獻的數量整體呈穩步增長趨勢(圖1)。依據文獻數量增長的快慢可將海草研究分為兩個發展階段,第1階段(1983—1990年)的文獻數量較少且增長趨勢不明顯,第2階段(1991—2017年)的發文量增長幅度較大且論文總量明顯增加。海草場作為典型海洋生態系統的代表之一,全球海草退化速度過快引起了各國學者的關注,尤其是20世紀90年代以來,其受關注程度日益增加,因而1991年后發文量增加明顯。從1983—2017年海草研究文獻數量的增長率來看(圖1),文獻發表量增長處于不斷波動狀態,但年均增長率達9.21%。隨著社會經濟和科技日益快速發展,國內外學者對海草的微觀和宏觀等各個層面均開展了大量的研究工作,并吸引更多的學者關注該領域,因而近些年文獻發表量出現穩定的適度增長趨勢。

圖1 1983—2017年文獻的年度發文量和增長率Fig.1 The annual number and growth rate of publications during the period of 1983—2017

2.2 研究力量的分布與比較

2.2.1研究力量的分布

通過對文獻作者所屬國家進行統計,9172篇文獻出自190個國家。對發文量前15的國家進行統計(表1),表明來自美國的發文量全球最多,占總文獻總數的33.84%,其次是澳大利亞和西班牙。美國的發文量分別是澳大利亞和西班牙的1.82倍和3.26倍,體現出美國在海草研究方面投入了較多的科研力量,并產出了豐碩的科研成果。美國近3年的發文量為486篇,所占該國發文量的比例為15.68%,呈穩定增長態勢。意大利、法國、加拿大、葡萄牙等國近3年的發文量占各自發文量的比例均在20%以上,表明近幾年的海草研究均較為活躍。中國在海草研究方面共發文242篇,位居全球第14位,但近3年發文量所占比例高達45.6%,超越了發文量居前15的所有國家,這反映了我國海草研究雖然晚于歐美發達國家,但近幾年科研投入顯著增加并取得了豐碩成果,預計未來我國在該領域仍然會較快發展,在發文量上會逐步超越部分國家。但值得注意的是,與其他國家相比,我國的海草相關研究文獻總體的篇均被引率仍然較低(10.63次/篇),表明在成果質量上還有待進一步提高。

在發文量前15位的作者所屬研究機構中,位居榜首的是佛羅里達州立大學,其發文量達580篇,占文獻總數的6.33%,其次是西班牙高等科學研究理事會與美國國家海洋和大氣管理局(表2)。同時,西澳大利亞大學、法國國家科學院、詹姆斯·庫克大學、昆士蘭大學等機構的近3年發文量均占各自發文量的25%以上,呈現出穩定增長態勢。發文量最多的我國機構是中國科學院,共發文100篇,排在第44位,而近3年發文量達46篇,占自身文獻總數的46%,可以看出中國科學院是我國海草研究的主要機構且近些年發展非常迅速。此外,對海草研究較多的我國高校是中國海洋大學,總計發文31篇,排在第165位。

9172篇海草相關文獻由15250位學者產出,表3統計了發文量居前15的學者,其中發文量超過100篇的共有3位學者,發文量最多的學者是來自沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的Duarte CM,共參與發文226篇,其次是西班牙高等科學研究理事會的Marba N、佛羅里達國際大學的Fourqurean JW。從近3年的發文量來看,總發文量居前3位的學者發文量呈穩態增長趨勢,而總發文量分別排在第6、9和14位的Kendrick GA、Bouma TJ和Santos R,近3年發文量所占比均在30%左右,由此可見這3位學者近年來在該領域研究較為活躍。

表1 發文量前15的國家統計Table 1 Top 15 countries in number of publications

表2 發文量前15的研究機構統計Table 2 Top 15 institutions in number of publications

在發文量前15的期刊中(表4),排在第1位的是《Marine Ecology Progress Series》,其發文數量988篇,遠超過第2位期刊《Aquatic Botany》,并且影響因子、篇均被引頻次在前15的期刊中分別排名第4和第3,可見該期刊是海草研究文獻的主要載體。在發文量前15的期刊中,影響因子最高的是《Limnology and Oceangraphy》(3.969),同時也是篇均被引頻次最高的期刊,這表明該期刊刊出的論文經常被同行參考,在該領域中有較強的影響力。此外,發文量前15期刊的平均影響因子2.48,相較于其他學科領域,關注海草研究的期刊影響因子普遍偏低。

表3 發文量前15的研究作者統計Table 3 Top 15 authors in number of publications

表4 發文量前15的研究期刊統計Table 4 Top 15 journals in number of publications

2.2.2研究力量的比較

由發文量和文獻篇均被引頻次來共同表征國家、機構、期刊和作者的研究實力。從國家層面看(圖2),美國、西班牙和澳大利亞等國的文獻數量和篇均被引頻次均較高,屬于海草研究領域發展勢頭較為強勁的國家；發文量排在澳大利亞之后的加拿大、荷蘭、英格蘭,發文量雖不多,但是篇均被引頻次相對較高；德國、法國、意大利、日本和中國發文量較少且篇均被引頻次較低,在研究成果的質和量上均有提升空間。

從機構實力來看(圖2),佛羅里達州立大學和西班牙高等科學理事會發文量和篇均被引頻次都居于前列,進一步表明美國和西班牙在國際海草研究領域的實力和影響力；威廉與瑪麗學院、加利福尼亞大學、佛羅里達國際大學發文量略少但篇均被引頻次高,尤其是威廉與瑪麗學院的篇均被引頻次高達69.37次/篇。法國國家科學院、德克薩斯大學和昆士蘭大學發文量和篇均被引頻次均不高；西澳大利亞大學論文數量不少但篇均被引頻次有待增加。

分析作者的研究實力(圖2),表明沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的Duarte CM在海草領域發文226篇,其篇均被引頻次處于中上水平；Orth RJ發文77篇但是篇均被引頻次最高；Marba N、Romero J發文量多但是篇均被引頻次處于平均水平之下。

分析期刊的研究實力(圖2),表明刊文數量多且篇均被引頻次高的期刊有《Marine Ecology Progress Series》、《Aquatic Botany》、《Estuarine,coastal and shelf science》、《Journal of Experimental Marine Biology and Ecology》,表明這4種期刊是海草研究論文的主要載體；《Estuaries》、《Limnology and Oceanography》刊載的論文數量較少,但是篇均被引頻次最高,而且影響因子較高,說明這2個期刊對于刊載的論文更看重質量；《Estuaries and Coasts》、《PLoS One》、《Journal of Coastal Research》刊登的論文數量少且篇均被引頻次低。

圖2 研究力量比較Fig.2 Comparison in research strength4個圖中的數字分別與表1、表2、表3和表4中的序號相對應,圖中兩條虛線的交叉點為發文量和篇均被引頻次的平均值

2.3 研究合作情況

2.3.1國家間合作

在發文量前15位國家的合作關系圖中,國家間的聯結線越粗則表明合作關系越強,反之則越弱(圖3)。由圖可知,15個國家間的合作均非常緊密,其中西班牙在國際合作中表現較為突出,墨西哥、丹麥、荷蘭、葡萄牙等國是其主要合作國家；中國位于合作網絡的邊緣,僅與澳大利亞和德國形成了一定的合作關系。總的來看,伴隨科研協同創新的全球化趨勢,海草領域的研究同樣呈現出較強的國際間合作,而我國應該逐步加強與美國、意大利和西班牙等海草研究較為成熟國家的合作交流,加速提升我國在該領域研究的國際地位。

圖3 發文量前15位國家的合作關系圖Fig.3 Cooperation diagram of top 15 countries

2.3.2機構間合作

由發文量前15位研究機構的合作關系(圖4),可看出CSIC(西班牙高等科學理事會)和NOAA(美國國家海洋和大氣管理局)是合作網絡的兩個中心,CSIC與FIU(佛羅里達國際大學)的合作關系最強,其次與CWM(威廉與瑪麗學院)也有較緊密的聯系。相比之下,與NOAA形成合作關系的機構更多。其他機構間互相聯系也較為緊密,形成一個錯綜復雜的合作網絡。由此可見,在全球學者合作創新的科研形式下,不同機構間或多或少地開展了海草的合作研究。

圖4 發文量前15位機構的合作關系圖Fig.4 Cooperation diagram of top 15 institutions圖中機構簡稱參見表2

2.3.3作者間合作

由發文量前15位作者的合作網絡(圖5)可知,以Duarte CM和Marba N二位作者為核心形成了較錯綜的海草科研合作網絡。Duarte CM由于在海草研究領域活躍,與293位作者合作發文226篇,處于最核心的位置；而Marba N的123篇論文與176位作者合作完成；Duarte CM和Marba N共同發文97篇。其次,Romero J和Alcoverro T之間也形成了緊密的合作關系。Fourqurean JW、Orth RJ、Kendrick GA 等學者與其他學者間的合作較為廣泛,而Connolly RM、Nagelkerken I等學者的合作關系較少。以上的數據表明,在海草研究領域各學者間多形成聯系緊密且互相合作協同創新的學術格局。

圖5 發文量前15位作者的合作關系圖Fig.5 Cooperation diagram of top 15 authors

2.4 研究熱點與主題分析

2.4.1學科領域分析

根據WoS學科分類中所涉及的前10個學科領域(表5)。這些學科領域歸納為2個學科組：一組側重海草與海洋生物之間的關系研究,涉及的主要學科有海洋與淡水生物學、海洋學、漁業和湖沼學和生物多樣性保護等；另一組側重與海草有關的生態環境問題,涉及的主要學科有生態學、環境科學、植物科學、地球科學等。從各學科領域文獻的被引頻次來看,影響力較高的學科包括海洋學和湖沼學,篇均被引均在30次以上,而漁業方面研究文獻的篇均被引在20次以下,該結果對科研方向選取和論文投稿有一定參考意義。

表5 發文量前10學科類別統計Table 5 Top 10 subject categories in number of publications

2.4.2研究熱點分析

篩選出高頻關鍵詞(詞頻≥307)并繪制關聯可視化圖(圖6),圖中的圓圈大小表示關鍵詞詞頻的大小,連線粗細表示關聯關系的強弱,相同的圓圈顏色表示同一研究主題。由圖可看出,海草場、生物量、生長、群落等均為海草的主要關聯關鍵詞,表明在海草個體、種群和群落方面進行了較為廣泛的研究。研究區域主要有澳大利亞和地中海等地。海草對生長環境的溫度、陽光、海水質量等要素要求較高,所以海草多分布于北大西洋海域、地中海海域、我國南海海域、澳大利亞海域等生境適宜的近海海域[26]。澳大利亞是海草研究領域發文量排第2位的國家,所以對澳大利亞西海岸的海草做了較深入的研究,其次是地中海海域,位于歐洲南部,是歐洲國家如意大利、西班牙、法國等國家研究的首選地點。在對海草研究中,常以Thalassiatestudinum(龜裂泰來草)、Zosteramarina(鰻草)、Posidoniaoceanica(大洋波喜蕩草)、Cymodoceanodosa(小絲粉草)為主要關鍵詞,可見這4種海草被研究的較為深入。海草場、紅樹林、珊瑚礁是近海生態系統的重要組成部分,因而三者常作為關鍵詞,凸顯了三者間研究內容的重疊性和關聯性。富營養化、光合作用、生長、群落結構、多樣性是海草研究的主要內容,因而也多作為關鍵詞出現在文獻中。

通過對圖6的關鍵詞的整理歸納,可概括出國際海草研究包括3個熱點研究主題：(1)環境(污染)脅迫對海草場的影響研究,該主題涵蓋了圖中灰色圓圈的關鍵詞,包括Western Australia(澳大利亞西部)、Eutrophication(富營養化)、Nitrogen(氮)、Estuary(河口)、Bay(海灣)、Bed(床)、Mediterranean sea(地中海)等；(2)海草的生長與生理生態研究,該主題涵蓋了圖中黑色圓圈的關鍵詞,包括Seagrass(海草)、Sediment(沉積物)、T.testudinum(龜裂泰來草)、Growth(生長)、Ecosystem(生態系統)、Biomass(生物量)、Meadow(草場)、Photosynthesis(光合作用)、C.nodosa(小絲粉草)、Dynamics(動態)等；(3)海草及其相鄰生態系統的結構與功能研究,該主題涵蓋了圖中白色圓圈的關鍵詞,包括Australia(澳大利亞)、Coral reef(珊瑚礁)、Mangrove(紅樹林)、Habitat(生境)、Community(群落)、Community structure(群落結構)、Assemblage(聚集)、Diversity(多樣性)、Pattern(格局)、Abundance(多度)等。

圖6 高頻關鍵詞的關聯可視化Fig.6 Visualization diagram of high frequent keywords

3 討論與結論

本文對WoS數據庫中1983—2017年間有關海草研究的文獻進行較為全面的計量分析,揭示了該領域的研究現狀、熱點及趨勢等重要信息。研究表明,1983年以來,海草相關研究的文獻量總體呈明顯上升趨勢。從文獻數量上看,美國的發文量全球居首位,占總發文量的33.84%；近3年的發文量變化表明了中國在海草研究方面的發展勢頭最為強勁；佛羅里達州立大學是海草研究文獻產出最多的機構,占文獻總量的6.33%,其次是西班牙高等科學研究理事會與美國國家海洋和大氣管理局,而威廉與瑪麗學院的文獻篇均被引頻次高居首位；《Marine Ecology Progress Series》是刊登海草文獻最多的期刊,占文獻總數的10.77%,而《Limnology and Oceanography》是海草研究發文量前15的期刊中影響因子最高的期刊；學者Duarte CM在海草研究領域產出了豐碩的成果,其發表文獻數占文獻總數的2.46%。西班牙、丹麥、荷蘭、墨西哥4個國家形成了十分緊密的海草研究合作網絡,同時也與其他多個國家有合作關系；在機構合作方面,呈現出了強強聯合的局面,西班牙高等科學研究理事會的發文量位居第2位,同時還與其他國家的多數機構進行合作研究；在個人合作中,學者Duarte CM、Marba N是發文量前15位作者合作網絡的中心,這兩位學者也是合作關系最強的組合,其他多數作者間往往也保持較為密切的合作關系。總的來看,歐美部分國家及其機構和學者的研究成果在全球范圍內影響較大,在該研究領域占據主導地位。

國際學界對海草的研究可分為2個階段,其中第1階段為起步階段(1983—1990年),文獻數量較少,研究領域較窄,僅在海草養分[27]、光合作用[28]、沉積物[29]等方面有涉及；第2階段(1991—2017年)的研究發展迅速,呈現出分支學科的多樣化和學科間的交叉性,期間在海草場生態服務功能[30]、育幼功能(Nursery function)[31]、生物量和生產力[32]、時空分布[3]、遺傳多樣性[33]、氣候變化背景下的海水富營養化對海草的影響[34-35]等方面均有豐富研究。通過高頻關鍵詞的關聯關系可概括出海草研究的3個熱點主題：環境(污染)脅迫對海草場的影響研究、海草的生長與生理生態研究以及海草及其相關生態系統的結構與功能研究。圍繞上述主題,近幾年的代表性成果有：1)美國學者Fourqurean等于2012年在《Nature Geoscience》發表題為“Seagrass ecosystems as a globally significant carbon stock”一文[36],該文通過全球946個海草場的海草生物量和土壤有機碳含量分析,估計出全球海草生態系統的有機碳存儲可達19.9 Pg,海草床底質中碳的儲存量高達4.2—8.4 Pg,而由于海草喪失可能導致每年釋放高達299 Tg的碳；2)荷蘭學者Olsen等于2016年在《Nature》發表題為“The genome of the seagrassZosteramarinareveals angiosperm adaptation to the sea”一文[37],該文首次通過測定海洋被子植物鰻草(Z.marina)的基因組序列,從基因組損失和獲得視角揭示了適應海洋環境所需的結構和生理適應性特征變化；3)美國學者Lamb等于2017年在《Science》發表題為“Seagrass ecosystems reduce exposure to bacterial pathogens of humans,fishes,and invertebrates”一文[38],該研究利用野外調查和分子生物學技術手段,發現海草場可將對人類和海洋生物的致病菌最多減少至50%,在海草場附近的珊瑚疾病也降至一半,該研究凸顯了海草生態系統對人類及其他生物健康的重要性。總的來看,國內外學者從宏觀的海草分布動態與碳匯格局到微觀的生理與遺傳結構等方面均進行了較為深入研究。同時,全球海草場的退化及其生態功能喪失問題在學界已達成共識,但迄今在海草場恢復和重建方面的實踐研究卻相對滯后[39]。

從WoS檢索的文獻來看,我國學者對海草的研究起步較晚,于20世紀末才有文獻產出。中國科學院(包括中國科學院南海海洋研究所、中國科學院海洋研究所等)是最具影響力的中國海草研究機構,而中國海洋大學是高校中發文較多的機構。黃小平、張景平、江志堅、范航清、周毅、韓秋影、李文濤、張沛東等國內學者在國際期刊上發表了較多的涉及海草研究的學術成果。1983—2017年間,我國學者在海草的分布[40]、海草場生物多樣性[41]、水動力[42]、海草生長與生理[43]等方面展開了較多的研究。跟蹤最新文獻可知,目前我國學者較多關注海草生態系統的碳庫和碳匯潛力研究,例如有機碳組分及其轉化[44]、沉積物對藍碳(Blue carbon)固存的影響[45]、碳匯儲量[46]。也有學者關注海草種子生態學,例如我國臺灣學者對泰來草(T.hemprichii)種子如何適應海洋波浪環境進行了研究,揭示了光質、種子形態以及胚乳中淀粉粒的分布等對種子適應性的影響[47]。總的來看,我國在海草方面研究起步晚,在國際頂級學術刊物發文量以及文獻篇均被引頻次等與歐美國家學者還存在一定差距,但可喜的是近幾年的研究成果頗為豐碩,伴隨我國在科研方面的加大投入,預計未來在海草研究方面的發展趨勢良好。

海草場生態系統是近岸海域生產力極高的生態系統,具有重要的生態服務功能。近年來,伴隨全球變暖、海洋污染等重大環境問題的出現,加強海草及其相關生態系統(紅樹林、珊瑚礁等)結構和功能的整合研究尤為必要。此外,應該構建不同分布區海草場生態系統的長期定位生態監測網絡,通過野外調查、遙感以及控制實驗等手段監測和分析海草及海草場的時空分布與動態、碳匯功能、退化過程與機理以及生物多樣性的維持與喪失機制等,同時注重生物學、環境科學、海洋科學和全球變化生態學等相關學科的交叉融合。