文献参数: 张程辉, 兰慧琴, 刘建康, 等.基于文献计量的放牧对草地植物—土壤交互作用关系的影响分析[J].水土保持通报,2025,45(3):407-416. Citation:Zhang Chenghui, Lan Huiqin, Liu Jiankang, et al. Impact of grazing on plant-soil interactions in grassland based on bibliometrics data [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2025,45(3):407-416.
草地生态系统广泛分布于干旱和半干旱地区,覆盖陆地总面积的近40%
[1],可为动植物的生存提供丰富的自然环境和物质基础,在全球营养元素循环、区域生物多样性维持、土壤碳库稳定性调节等方面扮演着重要角色
[2]。在全球气候变化和人类活动日趋频繁的背景下
[3],近年来草地退化速度不断加快;目前,全球约49%的草地面临退化风险
[4]。放牧作为草地最直接和最主要的利用方式,通过调节植物群落物种组成
[5]、土壤养分利用效率
[6]、元素含量
[7]、根系特征
[8]、凋落物质及分解
[9]、微生物群落特征等
[10],对草地生态系统物质循环和能量交换产生复杂而多元的作用
[11-12]。牲畜的采食、践踏和排泄可改变植物群落结构和土壤性状,形成植物—土壤之间的正负反馈机制
[6]。放牧对植物—土壤互作关系的调控过程受草地类型、放牧强度和环境因子的影响,具有区域差异性
[13]。研究表明,轻度或适度放牧有助于促进土壤养分循环和土壤微生物活动,维持生态系统稳定
[14-15],而过度放牧会导致植物逆行演替,使得土壤生产力和植物多样性降低,引发负反馈效应
[13,16]。目前,放牧对植物及土壤影响的研究多局限于特定区域、特定植被类型的短期监测,缺乏对不同气候区、植被类型的全面考察,这限制了研究结果的普适性,难以厘清放牧对植物—土壤互作关系的复杂作用机制。因此,全面评估放牧影响下植物与土壤间互馈机制,有助于揭示放牧对草地生态系统结构功能特征的深远影响,为制定草地可持续生态管理策略提供科学指导。
文献计量学是理解和分析科学研究动态的重要工具,它能够量化学术领域发展状况,有助于科研人员探索新的研究方向、把握学科发展脉络
[17]。目前,文献计量学已被广泛应用于医学、管理学、农学等学科,在草地生态学研究中,此方法已用于研究放牧影响下土壤动物
[18]、凋落物
[19]、生态系统结构与功能等
[20]多个方面。但目前关于放牧对草地植物—土壤互作关系的影响研究方向相对分散,尚未形成系统的综合研究体系,特别是关于其研究现状、作用途径和未来研究重点等缺乏全面的梳理与总结。为此,本研究基于文献计量学方法,以放牧影响下植物—土壤互作关系为研究对象,通过回顾2000—2023年相关研究成果分布情况,梳理研究的发展脉络和内在逻辑,总结该领域的动态、热点及未来研究方向,这不仅有助于更好地理解当前研究状况,也可为未来该研究发展方向提供新思路和新见解。
1 材料与方法
1.1 数据来源
本文选取WOS核心合集和CNKI为来源,WOS以“TS=(“grazing”) AND TS=(“grassland”) OR TS=(“meadow”)AND TS=(“plants”) AND TS=(“soil”)”,文献类型为Article和Review Article;CNKI中检索主题词为“放牧、草地、草原、植物、土壤”,文献类型为学术期刊,检索时间为2000—2023年,去除学位论文、会议论文、成果、无作者、重复文献等与该研究不相关文献类型,利用CiteSpace软件数据转换和去除重复功能后,最终得到WOS文献8 732篇,CNKI文献共2 077篇。
1.2 分析方法
本文使用R语言(R4.3.2)“bibliometrix”程序包、CiteSpace(6.3.R6)和VOSviewer(1.6.20)软件对该领域研究机构、期刊、关键词聚类、突发性及时间线进行定量可视化分析,此外,利用Microsoft Excel 2016软件采集CiteSpace软件中两个数据库发文量和各国家英文文献合作关系数据,并用Origin 2024和Scimago Graphicis软件分别绘制发文趋势图和各国英文文章发文及合作关系图。
2 结果与分析
2.1 发文量、主要发文国家及合作关系
由
图1可以看出,2000—2023年有关放牧对草地植物—土壤互作关系影响研究的发文量总体呈上升趋势。其中,CNKI数据库中年均增长率为12.12%,显著高于WOS数据库中年均增长率(6.76%)。其中发文国家排名前4的依次是中国(1 362篇)、美国(1 227篇)、德国(907篇)和英国(715篇),且中国与美国、德国、英国等80个国家建立了密切的合作关系(
图2)。在国家合作总频次方面,美国最高(70次),其次是中国(64次)、德国(63次)和英国(59次)。这表明中国和美国在该领域参与度较高,学术贡献及影响力较大,双方在此领域占据主导地位。
2.2 发文期刊、主要发文机构及合作关系
发文期刊分布能综合评价某领域的主流学术期刊及其影响力
[21]。由
表1可知,关于放牧影响植物—土壤互作关系的研究多发表于草地生态学研究领域的核心期刊,其中发文量排前3的英文期刊是《Agriculture Ecosystems & Environment》《Rangeland Ecology & Management》和《Science of The Total Environment》;发文量居前3的中文期刊为《生态学报》《草地学报》和《草业科学》,其中《生态学报》以影响因子4.065位居榜首。机构合作关系网络中节点的大小代表作者发文量,节点连线代表机构合作关系
[22]。从
图3可以看出,WOS数据库中研究机构群体以中国科学院、兰州大学、中国农业科学院等为代表。在CNKI数据库中,中国科学院、宁夏大学、内蒙古农业大学等是研究放牧影响植物—土壤互作关系的主要机构。
2.3 国内外研究论文关键词聚类
关键词聚类共现分析功能可根据关键词出现频次发现研究热点
[23]。如
图4所示,将检索文献以关键词进行聚类分别得到7个代表不同研究内容的标签,当聚类模块值(
Q值)大于0.3时认为其聚类结构效果显著,而聚类平均轮廓值(
S值)达到0.7则被视为其分析效率高且可信度高
[24-25]。从
表2可以看出,在WOS关键词网络聚类中,“
#0 nitrous oxide”聚类聚焦于氮元素循环过程中氮的多种形态及其在环境中的转化过程。“
#1
Leymus chinensis”聚类聚焦于禾草(如羊草)群落生态特征,包括化学计量特征、群落组成、水分利用效率和其生产力等。“
#2 climate change”聚类聚焦于气候变化及其影响,探讨遥感技术的应用、土壤呼吸过程、温室气体排放及其与气候变化的关系,关注人类活动对生态系统的影响。“
#3 grassland birds”聚类主要关注草原生态,研究草原鸟类及其他动物(包括两栖动物、节肢动物、脊椎动物)的生存空间和植物生长之间的相互作用等。“
#4 sequestration”聚类主要关注氮的固存过程、草原退化原因及其对土壤质量的影响,强调改善土壤质量和管理策略对草原生态的作用。“
#5 land use”聚类主要讨论草地管理方式对植物群落的影响,以及如何维护生态系统的功能多样性与可持续性。“
#6 ecosystem respiration”聚类主要关注生态系统呼吸率的测量(如涡流协方差方法)、生态系统功能、灌木入侵对生物多样性影响等,强调草地生态系统功能与放牧之间的关系。这些聚类围绕氮循环、生态系统特征、土地利用和气候变化等主题进行研究,展现了生态科学中各个领域的相互关联和多样性。每个聚类代表一个特定的研究领域,通过展示每个主题的热点关键词,为了解过去国际关于放牧对植物—土壤互作关系影响的研究热点提供了基本条件。
在CNKI关键词聚类中,“#0植物群落”聚类主要探讨羊草草原的群落特征与土壤养分的关系,包括休牧的影响等。“#1草地”聚类主要关注草地植被特征、温室气体排放及土壤氮元素含量等。“ #2典型草原”聚类主要涉及草原管理方式与植物生活型组成、空间分布等特性之间关系。“ #3荒漠草原”聚类涉及异质生境或人为干扰下猪毛蒿等植物的生态适应性及植物群落多样性等。“#4气候变化”聚类聚焦于干旱、半干旱生态系统中植物根系与土壤多功能性之间的关系。“#5植被特征”与“#6青藏高原”聚类主要关注青藏高原地区不同草地类型、管理方式下草原植被特征与群落结构、及植物与土壤之间复杂作用关系。这些聚类展示了草地和植物群落的多维特性,包括生长环境、管理策略、气候变化的影响及其在生态系统中的功能。各聚类反映了植物生态学的不同研究方向,强调了人类活动对不同类型草地生态系统影响的复杂性与差异性,为了解国内放牧对植物—土壤互作关系影响研究的主题与热点提供了基础信息。
2.4 国内外研究发展趋势
关键词突现和时间分布线图能直观揭示某领域在特定时段内的研究内容及趋势变化,根据图
5—
6所示,将放牧对植物—土壤互作关系的研究划分为3个阶段: ①第一个阶段为2000—2009年,关键词有disturbance(扰动)、sheep(羊)、herbivory(牧食)、plant community(植物群落)、soil nitrogen(土壤氮素)、生态系统、碳循环、全球变化、草地类型等。在此阶段中,学者将牲畜牧食行为作为研究草地生态系统平衡的重点,在放牧过程中牲畜通过采食植物直接改变草地生产力,但在植物补偿机制作用下,其对不同植物的选择性采食又为非优势植物提供了生态位空间,当放牧强度适中时草地植物多样性显著提高
[26-27]。此外,牲畜将植物组织(叶片、枝条、种子等)摄入体内后,经过消化系统作用将不易吸收的物质以排泄物形式返还土壤,加速草地生态系统物质能量循环过程,影响土壤养分状况及碳固持过程,为植物生长提供氮源,进而改变植物群落抗性
[28]。与此同时,国内学者还深入探讨了气候变化背景下放牧活动如何影响草地土壤碳循环过程,指出牲畜通过踩踏直接改变土壤容重和孔隙等物理性状,抑制土壤碳转换和矿化过程
[29]。研究显示,放牧引起的土壤碳库变化呈现较强的空间异质性,这种特性与放牧强度、气候条件等紧密相关
[30],并且随着纬度的增加,放牧对土壤碳储量的影响程度逐渐减弱
[31-32]。然而,有学者指出当放牧强度超过一定阈值时,土壤碳储量会急剧下降
[33]。在此阶段中,学者一方面深入探讨了不同放牧强度下草地生态系统的复杂响应机制,如植物—土壤营养元素循环、碳氮平衡、生物多样性变化等;另一方面,研究视角也拓展至气候变化、人类活动干扰等外部因素对草地生态系统的影响。这将有助于建立更加全面的关于“放牧—植物—土壤”研究的相关理论框架,为草地管理和可持续利用提供科学依据。 ②第2个阶段为2010—2015年,关键词变为competition(竞争)、dispersal(扩散)、seed germination(种子萌发)、seed mass(种子大小)、土壤温度、青藏高原、固碳效益、荒漠草地。在此阶段,学者主要研究了放牧活动对土壤种子库建立、竞争、扩散及繁殖的重要影响机制
[34],指出牲畜可通过粪便和皮毛帮助传播种子,增加土壤种子库多样性
[35];同时,牲畜的移动和践踏行为通过破碎化表层土壤、压实及掩埋土壤等方式,促进种子埋藏和存活,为草地植物群落更新、再生创造条件
[36];此外,牲畜的啃食、践踏和排泄行为对土壤表层产生扰动,改变植物种子微环境,打破某些种子休眠结构,刺激植物种子萌发,间接增加植物多样性
[37]。然而,随着放牧强度加深,牲畜过度采食和践踏影响植物生长繁殖,直接影响土壤中种子的来源
[38];另一方面,过度放牧则增加对土壤侵蚀和压实程度,抑制了适宜种子的萌发、生长
[39]。因此,合理的放牧管理措施至关重要,它不仅有助于保持草地生态功能,还能维护植物群落多样性和生态恢复能力。与此同时,学者又进一步探究了放牧影响下土壤固碳机制,指出放牧活动通过减少植物生物量、释放温室气体和升高土壤温度等显著削弱了土壤的碳封存能力,这主要是因为一方面牲畜觅食直接减少了地表植物生物量,降低了植物群落光合速率,进而抑制草地固碳能力
[40];另一方面牲畜粪便分解会释放温室气体,削弱草地碳封存能力
[41]。在重度放牧条件下,随着土壤温度显著升高,土壤碳含量下降,又进一步降低了土壤碳汇能力
[42]。在全球变化背景下,有学者发现在青藏高原地区随着土壤温度持续升高,碳释放量逐渐增加,削弱了高寒草地的碳封存能力
[43]。然而,在内蒙古的增温和增雨试验则表明,气候变暖将使中国北方干旱、半干旱区荒漠草地成为碳源
[44]。在此研究阶段,学者深入探讨了不同放牧强度下草地植物—土壤系统的复杂反应机理,包括种子库动态变化、植物繁衍、竞争策略以及与气候因素的交互影响等;另一方面研究视角也更多地关注草地碳汇功能的调控机制,量化了放牧管理和气候变化情景下草地生态系统的碳平衡特征,这将有助于为草地生态系统管理和“碳中和”目标提供更加优化的理论依据。 ③第3个阶段为2016—2023年,关键词包括alpine grassland(高寒草地)、grassland degradation(草地退化)、ecological stoichiometry(生态化学计量)、ecological restoration(生态恢复)、草甸草原、多样性、不同土层、土壤微生物等。在此研究阶段,随着草地生态学研究的逐步深入,学者逐渐将研究聚焦到生境条件恶劣地区,利用生态化学计量学研究了高寒草地(草甸、草原)退化的特征与机理。在青藏高原高寒草地的生态恢复试验发现,放牧条件下土壤碳氮比变化显著,而草地封禁后土壤碳氮比的时间稳定性较强
[45-46]。此外,研究学者也更多的开始关注土壤微生物群落特征,指出牲畜放牧可通过采食、排泄和践踏3种途径影响植物向土壤中输入资源的质量与数量、根系分泌物、及土壤理化性质,进而影响土壤微生物多样性
[47]。研究发现随着放牧强度的增加,不同土层中土壤微生物碳、氮含量均呈现出降低的趋势
[48],且过度放牧条件下草甸草原土壤微生物多样性显著下降
[49]。
在这一研究阶段,研究学者进一步深化对不同生境下高寒草地生态化学计量特征及其与气候、土地利用变化的交互作用的认知,以期更好地预测脆弱生态系统的响应与演替。另一方面,研究视角延伸至基于生态系统服务的优化管理模式,关注如何在维护草地生态功能的前提下提高其对人类福祉的贡献。同时也更多地关注动物行为、生境片段化等对草地生态系统的影响。总的来说,这一阶段的研究更加注重综合性和应用性,通过对放牧影响下植物群落、土壤性状及微生物特征的综合研究因地制宜地提出恢复及管理措施,进而为维持脆弱生境的生态稳定性、实现高寒草地的可持续利用提供更加科学的支撑。
3 结论与展望
通过分析2000—2023年WOS和CNKI两个数据库文献后发现,近年来放牧对草地植物—土壤互作关系影响研究的关注度逐渐提高,年发文量呈增长趋势。
各国学者对放牧影响下草地植物个体生长发育特征、植物及土壤微生物结构功能、土壤性状和生产生态功能等多方面进行了深入研究,形成了以中国、美国、德国、英国等国为主体的国际化、多元化合作模式,在当今科学研究逐渐全球化、智能化、技术化的驱动下,通过在国内外草地生态学领域的权威性和代表性期刊上发表研究成果,展示了最新的研究理论、方法和观点。进入21世纪后,国内外研究热点主要依赖传统地面植被与土壤调查、卫星和无人机遥感技术、分子生物学技术、气候模拟、涡度测量相关技术等收集数据,结合多元统计分析、生态模型构建、生物大数据技术、元数据分析、人工智能等技术手段,以便更深入了解放牧对草地生态系统能量流动、营养元素循环、物种竞争、更新能力、动态变化、服务等结构功能特征的影响,共同推动退化及恢复生态学研究进展。
20世纪末为应对全球气候变化,多国首脑联合签署了《联合国气候变化框架公约》,其目标是通过减少CO2, N2O, CH4等温室气体排放、减少人为活动对生态系统的危害,减缓气候变化造成的负面影响。因此,在进入21世纪后,研究主要集中在草地生态系统碳氮循环的主要影响因素,包括牲畜的牧食、踩踏和排泄行为、气候条件等。此后,随着基础研究的逐渐完善,放牧对草地植物群落更新与演替以及固碳能力的影响逐渐成为研究焦点,这一转变反映了对草地生态系统功能的理解更深入,尤其在应对气候变化和土地退化等问题时,草地生态系统在碳循环中的作用愈加凸显。近年来,生态学研究技术的不断迭代更新,特别是高通量技术、基因组学、分子生态学技术和现代仪器的应用,推动了生态学、土壤学和微生物学等学科的融合,使得学者能够从微观层面更精细、全面地分析放牧对植物、土壤及微生物特征的多维度影响,这一进展标志着放牧对植物—土壤互作关系的研究结构层次逐步从宏观到更细致的微观层面推进,这一转变不仅深化了对放牧影响机制的理解,为未来该领域研究提供了丰富的视角和方法。
基于对前述研究历程的梳理和对现实需求的分析,放牧影响下草地植物—土壤互作关系这一领域的研究未来应更加注重系统化、综合性和应用导向。一方面,学者可借鉴同类研究领域的前沿动态和方法创新,重点加强对跨尺度、多模式、多强度放牧交互作用影响下草地生态系统的响应演变和功能调控机理,从合理调控草畜平衡关系的角度实现草地资源生态保护。另一方面,还可利用生态过程网络分析等方法,将放牧对生态系统功能影响的小尺度试验结果与区域或全球尺度生态模型相结合,探讨由放牧行为(选择性采食、践踏、排泄物返还等)驱动的植物—土壤—微生物各要素间复杂的反馈联系,以更全面、深入地认识放牧行为对植物—土壤系统的作用过程和影响机制。同时,还应加强对地上(植物及动物)与地下(土壤及微生物)生态过程的联动研究,提升对生境破碎化、气候变暖、氮沉降、资源利用方式、生物多样性等因素对不同草地生态系统养分和物质循环的认识。在充分考虑区域差异基础上,通过系统开展多因素、多尺度协同作用对植物—土壤系统调控机制和关键因素的研究,可在更精细尺度上解读草地生态系统功能调控过程,进而针对不同生境特点因地制宜地提出研究设计和管理对策,以推动草地生态系统健康和可持续发展。
国家自然科学基金项目“基于植物—土壤互作的荒漠植被斑块演变时空特征与调控机制(32360280)