基于CiteSpace的草地生態系統研究現狀分析

楊睿哲，孫小妹，李金霞，劉君娣，陳蘭蘭

基于CiteSpace的草地生態系統研究現狀分析

楊睿哲，孫小妹，李金霞，劉君娣，陳蘭蘭

（甘肅農業大學 資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070）

以中國知網（CNKI）中檢索到的1986—2019年的2 593篇草地生態系統相關文獻為研究樣本，運用CiteSpace作為信息可視化工具，從歷年發文量、關鍵詞共現網絡、突現分析、作者和科研機構分布等角度展開信息可視化分析。結果表明，草地生態系統發文量從1998年開始逐年增多，研究主要圍繞生物多樣性、群落結構、豐富度、生物量等熱點進行；氮素添加、氮沉降、地上生物量、功能多樣性研究從2013年開始爆發式增長；研究作者及機構主要以蘭州大學的杜國禎團隊為主。對草地生態系統的研究現狀進行了分析，以期為研究者把握該領域研究的熱點和發展趨勢提供依據。

草地生態系統；CiteSpace；可視化分析；知識圖譜

從陸地生態系統來看，草地生態系統是其中一個重要部分，具備防風固沙、調節氣候、凈化空氣、保持水土、涵養水源等生態功能。從世界范圍來看，草原總面積達到了2.4×107km2左右，約相當于陸地總面積的17%，在國土面積中的比例為41.7%，大多分布于北方的半干旱以及干旱地區，維持著約8億人的生計[1]。中國大部分草地作為天然放牧場利用，所以草原不僅僅是陸地生態系統中的主要類型，作為放牧畜牧業基地也是極為重要的。近年來由于人類過度使用草地，草地生態系統已經出現了包括自然災害頻繁發生、生產力逐漸下降以及水土嚴重流失等在內的諸多問題，致使其出現退化以及失衡現象[2]。因此，草地生態系統越來越受到研究者們的關注，發表的相關文獻也越來越多。

知識圖譜可利用數據分析的挖掘、圖表的整理，通過可視化工具動態展現知識發展過程，所以從新興交叉學科來看，知識圖譜起到了越來越重要的作用[3]。CiteSpace可視化分析軟件由可視化方法、文獻計量分析以及數據挖掘算法組合而成[4]，相較于其他可視化軟件而言，此軟件更為清晰，從知識結構內找尋關鍵詞以及重要趨勢也會更容易[5]。

本文借助該軟件分析了草地生態系統的研究熱點與趨勢，以期對研究者們把握該領域的發展趨勢及其研究熱點提供理論依據。

1 資料方法

1.1 文獻數據來源及篩選

本論文搜索來源為中國知網，即CNKI。該數據庫收錄的文獻涉獵多個學科領域，如自然科學、人文社科以及工程技術等，其出版的新文獻在中國年均出版文獻總量中的比例達到了80%左右，作為中國文獻數據庫在世界范圍內有著最大的規模。這一數據庫不單單提供書目訪問信息，同時涉及已經公開發表的論文的相關引文信息，而且還可讓政治、科技、文化、經濟以及文化等各方面的研究成果及其發展動態得到全面而又集中反映，對于文獻計量學調查而言，充當著理想數據來源的角色[6]。此次以關鍵詞搜索策略搜索“草地生態系統”“氮”，時間范圍選擇1986—2019-03，進行模糊匹配檢測，共搜索到3 025篇相關文獻。為了消除其中“噪聲”干擾影響，通過人工篩選刪除會議報告、個人學術成果介紹、無作者、期刊會議征稿等各類無效論文，得到2 593篇文獻。

1.2 研究方法

借助CiteSpace軟件（該軟件是由美國Drexel大學陳超美教授應用Java語言開發的一款用于計量和分析文獻數據的信息可視化軟件）針對收集得來的數據展開動態、多元而又分時的可視化分析。這一軟件繪制而來的圖譜可以在一幅引文網絡圖譜內使知識領域如何演變得到較為集中的體現，還可在圖譜內自動標識充當知識基礎角色的引文節點文獻以及通過共引聚類反應而來的研究前沿[7]。與其他可視化工具相比，CiteSpace軟件提高了可視化分析功能清晰度和解釋性[4]。

本文以CiteSpace V對檢索的文獻進行發文量統計、關鍵詞共現、關鍵詞頻率統計、關鍵詞聚類、突現詞分析等來分析草地生態系統的動態和趨勢。發文量指站在宏觀的立場上對某研究領域如何變化與如何發展進行觀察并作出評價，屬于重要指標之一，是從直觀層面上對文獻詳細情況進行觀察的重要途徑之一[3]。從關鍵詞共現網絡分析圖來看，圓圈大小代表文獻引用頻次，圓圈越大表明被引用次數越高[8]。關鍵詞可以反映研究成果的主要內容和結果，是對文獻整體內容的概括與總結[9]。突現詞指文獻中驟增的關鍵術語，可以將某段時間內頻次變化率高的詞從大量的主題詞中探測出來[10]。中心性是測度節點在網絡中重要性的一個指標。中心性越高，則節點越重要[7]。CiteSpace中使用此指標來發現和衡量節點對象的重要性，并在年輪圖最外圈用紫色圈對該類節點標記。

2 結果

2.1 關于草地生態系統歷年來發文量分析

按照文獻發表于哪一年，本文統計分析了已經納入數據庫內的文獻共計2 593篇的發表時間的具體分布詳情，分析結果如圖1所示。從圖1不難發現，1986—1997年這12年間與草地生態系統相關的研究還很少，最多的一年才發表了8篇文章。但從1998—2018年，發文量開始快速增長，每年相關文獻發表均大于40篇，其中2011年達到了259篇。近兩年的發文量均在100篇以上，這說明草地生態系統的研究越來越受到研究者們的關注，成為當前的研究熱點。

圖1 草地生態系統研究文獻發表時間分布

2.2 研究熱點分析

由于選擇的文獻數量較多，時間跨度較長，為了清晰地顯示當前關于草地生態系統的研究熱點以及研究方向的聯系強度，設置“時間分區”為2年，出現頻率大于等于4，演算閾值（Top% per slice）為默認的50。剪切方式運用Pathfinder、Pruning sliced networks和Pruning the merged network三種方法，并且將表達一致的關鍵詞合并，得到關鍵詞共現網絡圖譜，如圖2所示。圖2中共有67個節點、67條連接，網絡密度（density）為0.031 2，這反映出中國草地生態系統的研究已經形成了較為完備的體系。根據圖2可知，在草地生態系統研究中，主要研究的是生物多樣性、群落結構、豐富度、生物量等指標；主要研究區域是青藏高原的高寒草甸區，該區域的草地生態系統較脆弱且難以恢復。從圖2中可以看出，研究者們主要從土壤理化性質、海拔梯度、區系分析等自然因素以及刈割、氮沉降和施肥等人為因素來探究可能造成該區域草地生態脆弱的原因。

關鍵詞頻率如表1所示，代表了在某個時間段關鍵詞出現的次數，可以根據頻數的大小了解某個時間段的研究熱點。中心性可以判斷節點的重要性，中心度大于等于0.1表明該關鍵詞在網絡中具有樞紐性的作用。由此可見，頻數和中心性具有一定的相關性，關鍵詞頻數越高中心性也越強。根據表1，在頻數前20的關鍵詞內，“生物量”“豐富度”“群落結構”“高寒草甸”“生物多樣性”“海拔梯度”“保護”等在共線網絡中發揮了很好的樞紐作用。

圖2 草地生態系統文獻關鍵詞共現網絡圖譜

表1 草地生態系統關鍵詞頻數表（僅列頻次前20個）

序號頻數中心性關鍵詞時間 11 9030.5生物多樣性1986年 24340.59群落結構1998年 3981.17豐富度2000年 4840.16區系分析2002年 5830.11物種多樣性指數1998年 6800植物多樣性2002年 7670.86高寒草甸2004年 8600.26保護2002年 9570.11土壤環境因子2008年 10560.16生產力2002年 11490.16均勻度指數1998年 12480.06演替1988年 13470氮沉降2010年 14460.81生物量2008年 15460.06分布格局2004年 16420.11群落2004年 17280.35海拔梯度2004年 18270.11青藏高原2007年 19270干擾2000年 20270.11苔蘚植物2006年

前17位文獻突現詞如圖3所示。通過突現詞知識圖譜，可以了解不同歷史階段草地生態系統的側重點。圖3顯示共有17個突現詞，1986—2001年，草地生態系統研究領域多限于“演替”“均勻度指數”“物種多樣性指數”等相關內容；2002—2013年，涌現出“保護”“β多樣性”“海拔高度”“群落”等突現詞；2013—2019年，出現“氮素添加”“地上生物量”“功能多樣性”“重要值”等突現詞，成為當前的研究熱點。

有研究顯示，在全球氣候變化、人類活動擴張以及嚙齒動物啃食等多重因素的影響之下，在輸出草產品以及畜產品的同時草地生態系統已經消耗了越來越多的土壤營養物質，導致草地出現了或多或少的退化[11-12]。草地退化會帶來生產力下降、土壤肥力下滑、營養元素失調以及物種多樣性消退等多方面的問題[13]。如果未能有效補充，則草地土壤在養分供給方面的能力將會持續下滑[14]。所以，如何通過施氮以及施氮量對各類生物量的影響，改變草地生態系統現狀，是當前主要研究發展趨勢，這與圖3的結果是一致的。

圖3 前17位文獻突現詞

2.3 關鍵詞聚類分析結果分析

聚類的現實意義是把網絡劃分為多個相互之間不會出現重合的子群，可對這一研究領域相關的熱點話題展開探究，這里的研究熱點指的是一定時間內大量的存在內在聯系的一系列文獻探究話題[15]。此外，這一詞條在某一特定類別有較高的出現頻率，但在其他類別內出現頻次相對較低時，其和這一類別就存在較大的互信息[16]。通過CiteSpace的cluster功能，對關鍵詞運用“K-均值算法”進行聚類分析。從聚類評價可以看出，模塊性（Modularity）=0.778 2，平均輪廓值（Mean Silhouette）=0.597 5（值通常在［0，1］內，＞0.3表明得來的社團結構相對較為顯著，平均輪廓值在0.5以上，聚類一般認為是合理的[7]），因此，聚類被認為是合理的。聚類命名以#為標識，且以關鍵詞為代表該聚類。

草地生態系統研究領域關鍵詞聚類圖譜如圖4所示。從圖4可以看到，關于草地生態系統的熱點研究主題主要為“苔蘚植物”“均勻度”“群落”“施氮”“生物量”“優勢種”“海拔梯度”。其中，第一位的是“#0 苔蘚植物”，則說明在關鍵詞中，“苔蘚植物”的權值是最大的。但通過二次檢索和分析，該聚類涉及較廣范圍，常出現在“生物多樣性”“群落結構”“豐富度”中，說明多數研究中，苔蘚植物是必不可少的研究對象，是草地生態系統中重要的一部分。

2.4 作者共現分析結果

對于一篇論文來說，論文作者是主導者，在某研究領域中充當主體地位，學術觀點就是以之為思想源泉，其研究情況及和其他作者間存在的合著關系對于研究趨勢的導向、研究整體脈絡走向等起到了非常關鍵的作用[5]。利用Citespace V針對作者進行合作網絡分析，作者的名字以及節點越大，則說明該作者發表的文章和引用率越高，在該領域的影響力

就越強。不同作者節點之間有連接，則代表具有合作關系，連線越寬，就說明聯系越緊密。

圖4 草地生態系統研究領域關鍵詞聚類圖譜

圖5顯示名字的節點是發文量3篇以上的作者，共有194人，發文量較高的作者有杜國禎、王剛、方精云、姚小蘭等，其中穩定合作最多的研究團隊是杜國禎團隊，在草地生態系統中貢獻力度最大。總的來說，研究團隊本身比較多，團隊和團隊之間很少合作，但是從一個團隊來看，其內部的合作會比較密切。草地生態系統研究作者分布如圖5所示。

圖5 草地生態系統研究作者分布

2.5 科研單位共現分析結果

對于論文作者所在機構而言，科學研究是以之為主要組織形式的，大多聚焦在學術研究機構。從某個領域來看，其高產作者或者是核心作者所屬機構表征的是其核心機構，提出的觀點或者是研究成果往往是比較權威的，是研究人員需要著重關注的對象[5]。本研究總共納入的文獻數為2 593篇，針對其作者所屬機構展開了可視化分析，借助Citespace V軟件編制出了研究機構共現圖譜，詳細結果如圖6所示，該圖顯示出了頻次不少于4的研究機構。由圖6可知，蘭州大學生命科學學院、蘭州大學草地農業科技學院、中國科學院及其研究所、四川農業大學林學院、甘肅農業大學草業學院、西北農林科技大學林學院是在草地生態系統領域發表較多文獻的機構。結合圖5分析，蘭州大學生命科學學院和蘭州大學草地農業科技學院則分別以杜國禎和王剛為核心作者，中國科學院則以方精云為核心作者，四川農業大學則以姚小蘭為核心作者進行相關研究。圖6網絡密度只有0.016 8，說明各研究機構之間合作不夠緊密，而且合作的機構也具有明顯的地理分布性，主要是西北及青藏高原區為主研究機構之間的合作，如圖6所示的蘭州大學、西北農林科技大學、甘肅農業大學、中國科學院高原生物研究所以及中國科學院寒區旱區環境與工程研究所等研究機構。結合圖2可知，當前草地生態系統的研究區域為西北干旱半干旱草地區以及青藏高原區的高原草原地區。

圖6 草地生態系統研究機構分布

3 討論

3.1 熱點與趨勢

在熱點關鍵詞的推導過程中，關鍵詞的中心性以及出現頻次屬于一項重要指標，對于整個網絡而言，高中心性關鍵詞會有非常深刻的轉折意義[17]。結合上述分析結果和中國的地理氣候區位來看，未來的草地生態系統的研究地區依然以西北以及青藏高原區為主，研究內容主要以生物多樣性、豐富度、群落結構或更為微觀的角度進行討論。

3.2 不足和展望

本文用到的數據來源為中國知網，且國內各期刊的質量水平不一，數據不具有極高的代表性。在設定Citespace V工具圖譜的時候，選擇閾值會帶有一定的主觀性，會極大地影響到“關鍵詞共現知識圖譜的邊緣散點”[18]。在今后的研究中應當結合其他數據來源，例如ISI Web of Knowledge核心數據庫，更加全面地了解草地生態系統的研究概況與發展趨勢。此外，還可和其他可視化軟件結合在一起，使用更為多元化的研究法，站在各大視角上對隱藏于數據內的信息進行更為深入的挖掘，如VOS viewer，互相驗證以確保得到更為可靠的結果。

中國草地生態系統的研究人員和機構雖多，但是相互合作的強度還不是很高，基本是以研究團隊為單元進行研究且地域性研究較為明顯。未來中國應該加強團隊和機構的合作研究，同時對不同類型草原生態系統也應進行深入研究，這樣可以彌補互相之間不足，可以更加全面地了解草地生態系統的現狀，有利于取得更大的進步。

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S812

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.005

2095－6835（2019）13－0010－04

〔編輯：張思楠〕