基于CiteSpace的草地枯落物研究热点及趋势

Research Hotspots and Trends of Grassland Litter Based on CiteSpace

摘要

利用中国知网（CNKI）数据库和Web of Science（WoS）核心合集数据库的数据，借助可视化软件，采用文献计量学方法，梳理了近45年草地枯落物研究脉络。结果发现：（1）发文数量由1977年的2篇增长至2022年的143篇，经历了缓慢增长⁃波动增长⁃稳步增长3个阶段，研究主力以中国、美国学者为主，中国科学院和美国农业部农业研究局发文量较多；（2）枯落物分解一直是草地枯落物研究的核心内容，之后研究内容拓展到枯落物分解对土壤养分的影响以及枯落物积累对植被的影响，近几年的研究聚焦于放牧对草地枯落物分解的影响，并且研究区域主要集中在温带典型草原和荒漠草原；（3）通过关键词共现频次分析发现，20世纪末的研究侧重于枯落物分解对土壤养分、土壤微生物的影响，21世纪初的研究则转移到植物⁃枯落物⁃土壤之间的碳、氮、磷元素的循环，近几年的研究聚焦于枯落物分解对草地生态系统土壤碳储量变化的影响；（4）枯落物质量对枯落物分解乃至对草地生态系统碳循环的影响成为草地枯落物研究的主要趋势，并且今后研究中也应重视冷季草场枯落物的土壤保护作用。

Abstract

Utilizing data from the China National Knowledge Infrastructure （CNKI） database and the Web of Science （WoS） Core Collection， this study sorted out the research trends of grassland litter over the past 45 years by bibliometric methods with the help of visualization software. The following results were found. （1） The number of publications increased from 2 in 1977 to 143 in 2022， experiencing three stages of slow growth， fluctuating growth， and steady growth. The research was predominantly led by scholars from China and the United States， and the Chinese Academy of Sciences and the Agricultural Research Service of the United States Department of Agriculture made significant contributions to the number of publications. （2） Litter decomposition had been a core focus of grassland litter research， with subsequent research content expanding to the impacts of litter decomposition on soil nutrients and the effects of litter accumulation on vegetation. The research in recent years concentrated on the influence of grazing on grassland litter decomposition， primarily in typical grasslands and desert grasslands in temperate zone. （3） Analysis of keyword co-occurrence frequencies indicated that research at the end of the 20th century placed emphasis on the effects of litter decomposition on soil nutrients and soil microorganisms， and the research focus shifted to the cycling of carbon， nitrogen， and phosphorus among plants， litter， and soil at the beginning of the 21st century. In recent years， research concentrated on the impact of litter decomposition on soil carbon storage changes in grassland ecosystems. （4） The influence of litter quality on litter decomposition and even the carbon cycle in grassland ecosystems emerged as a major trend in grassland litter research. Future studies should also pay attention to the soil protective role of litter in cold-season pasture.

Graphical abstract

关键词

枯落物质量 / 草地碳循环 / 土壤养分 / 可视化分析 / 草地退化

Key words

litter quality / grassland carbon cycle / soil nutrient / visualization analysis / grassland degradation

草地作为陆地生态系统的重要组成部分，具备重要的生态系统服务功能，在全球碳循环中发挥着重要作用^［1⁃2］。我国草地资源丰富，约占土地总面积的40%以上，是面积最大的陆地生态系统^［3］。草地枯落物是地上植物枯死后所有有机物质的总称，是草地生态系统重要的组成部分^［4］。枯落物分解是草地生态系统养分循环的重要环节，养分通过其分解归还到土壤中，维持植被生长所需营养物质 ^［5］。枯落物积累一方面可以截留降水， 减少地表径流和降水侵蚀；另一方面在地表形成物理阻隔层，减少土壤水分蒸发， 改善水分条件^［6］。枯落物对草地生态系统的养分补充及水分循环具有重要作用。

枯落物研究始于19世纪80年代的森林凋落物调查，1876年德国学者Ebermager^［7］阐述了森林凋落物的重要性，引起重视。国内枯落物研究始于20世纪80年代的森林凋落物分析，有学者对森林凋落物量的研究进行了系统总结。草地枯落物研究始于1977年，有研究对比了森林和草地生态系统磷循环，发现植物通过吸收枯落物分解所释放的磷完成磷循环^［8］。国内的研究始于20世纪80年代末，通过分析东北羊草草原凋落物的分解速率及其土壤微生物的能量流动，发现在羊草草原，落到地表上的凋落物需2至3年时间方可全部分解^［9］。草地生态系统中的碳也通过枯落物分解，得以持续循环^［10］。在全球气候变暖及绿色低碳发展的驱动下，草地枯落物研究越来越受重视，草地碳储量、碳循环等问题的关注度明显优于其他问题^［11］，草地枯落物研究的全面梳理和系统分析变得尤为迫切。本文利用中国知网（CNKI）和 Web of Science（WoS）核心合集数据库，借助CiteSpace、VOSviewer等软件，分析近45年草地枯落物研究脉络，梳理草地枯落物研究进展，明确枯落物研究发展趋势。

1 数据与方法

1.1 数据来源

数据来自中国知网（CNKI）数据库和Web of Science（WoS）数据库。中国知网（CNKI）数据库的检索时间为1950年1月至2022年12月。论文检索采用专业检索方式，以枯落物、凋落物、草原、草场和草地为检索词，共检索到579篇论文，经过筛选、去重得到279篇。Web of Science（WoS）数据库检索时间为1950年1月至2022年12月，以“litter”“soil”“vegetation”“grassland”“meadow”“ pasture”作为检索词，共检索到2 480篇论文，筛选、去重后得到2 468篇。

1.2 研究方法

文献计量学是一种基于数理统计的定量分析方法，通过该方法可分析文献的分布结构、数量关系和变化规律，进而描述、评价和预测科学研究发展的动态^［12］。CiteSpace 和 VOSviewer 是常用的学术文献可视化软件，可用于时间、空间维度的知识图谱分析、演化研究和可视化展示。关键词是论文重要组成部分，是对文章核心的高度概括和精炼，频次较高的关键词可以看作是该领域研究热点^［13］。

2 结果分析

2.1 发文数量

1977—2022年，草地枯落物研究相关文献共2 764篇，年发文数量及其变化如图1所示。从图1可以看出，近45年发文量稳步增长，年发文量从最初的1篇/年增加至目前的173篇/年。根据年发文量变化，可将其变化过程划分为缓慢增长期、波动增长期和稳步增长期三个阶段。

缓慢增长期（1977—1992年）：该时期发文量相对少，年均发文量为6篇。1876年第一篇关于森林凋落物研究在德国见刊后^［7］，直到20世纪70年代草地枯落物研究才得到关注^［8］，后经稀树草原凋落物分解模型的建立，以及土壤属性对枯落物分解的响应等研究^［14］，国际草地枯落物研究逐渐活跃起来。相应时期，国内枯落物研究主要关注枯落物分解速率及其对土壤微生物的影响^［15］。

波动增长期（1993—2010年）：该时期年均发文量增加至57篇。该阶段，草地枯落物研究除了分析枯落物对植被生长的影响，还关注枯落物与物种丰富度、植被群落结构、生物量、物种组成之间的关联^{［16⁃17］}；枯落物对土壤的影响方面起初关注枯落物分解对土壤养分、土壤呼吸、土壤有机质、土壤动物的影响^{［18⁃19］}，之后拓展到植物⁃枯落物⁃土壤碳、氮、磷等元素的循环^{［20⁃21］}。

稳步增长期（2011—2022年）：该时期年均发文量增加至132篇。近10年来，枯落物对草地生态系统的影响成为重点研究内容。枯落物积累及分解速率会影响土壤微生物吸收养分，并进一步调控草地生态系统结构和功能。土壤微生物功能和酶活性是了解草地枯落物分解及其对生物地球化学循环影响的重要途径^［22］，因此生态化学计量学方法广泛应用到枯落物研究中^［23］。随着全球变暖的加速，碳排放对环境的影响越来越受重视。草地碳储量、碳循环研究成为草地枯落物研究的热点^{［24⁃25］}。

2.2 发文国家

利用CiteSpace软件对中英文文献进行分析，发现第一作者为中国和美国学者的文献各占总发文量的22.53%和18.7%（图2）。中国学者和美国学者是推动草地枯落物研究的核心力量，其次分别为德国、澳大利亚、巴西等国家的学者。利用VOSviewer制作出近45年总发文量≥50篇的作者合作网络图（图3），图3中圆点越大表示发文量越多。可以看出，除了中美学者外，其他国家学者在该领域的发文量较少且相差不大，顶部效应不显著。从合作次数来看，中美学者合作强度大，总次数达到66次。

2.3 发文机构

近45年草地枯落物研究发文数量排名前10的机构及其发文总量见表1。中文文献排名前10的研究机构发表的论文数量占总数量的60.2%，其中中国科学院发文量最多，其次是宁夏大学和内蒙古农业大学。英文文献排名前10的机构发表论文数量占总数量的13.6%，其中中国科学院发文量最多。国外研究机构主要有美国农业部农业研究局，以及阿根廷国家科学技术研究委员会、美国亚利桑那大学等。上述机构发表论文占总数量的5.7%。从表1还可看出，在发文量综合排名前10的机构中，中国学术机构占70%。其中，中国科学院发文量最多，其次是西北农林科技大学、宁夏大学和中国农业科学院。因此，中国科学院团队是草地枯落物研究的核心力量。

3 研究热点与前沿

3.1 研究热点

根据研究主题，设定凋落物/枯落物为搜索词，使用 CiteSpace 软件统计草地枯落物研究相关文献关键词（图4），获得近45年该领域高频关键词及其出现次数（表2）。

表2中“decomposition”“分解速率”等关键词所占比重较高，并与“litter quality”“碳”“dynamics”“养分动态”等有较强的关联度，占总频次的12.5%，表明枯落物分解是近 45年草地枯落物研究的核心内容。枯落物作为连接植物与土壤养分循环的枢纽，其分解对土壤的养分动态有重要作用^［26］。枯落物分解是草地养分供给的重要来源，枯落物的周转驱动着草地生态系统碳氮循环，其分解速率影响草地生产力和养分循环速率^［27］。枯落物质量指枯落物相对可分解性，是影响枯落物分解的关键要素 ^［28］。

与“土壤”“土壤呼吸”关联度较强的有“土壤养分”和“氮”，这些关键词的出现频次占总频次的5%，表明枯落物分解对土壤养分的影响是草地枯落物研究的又一重要内容。枯落物是土壤有机质的重要来源，枯落物量及其分解速率显著影响土壤呼吸^［29］。土壤呼吸是草地生态系统碳循环的一个重要组成部分。枯落物分解是草地生态系统土壤养分归还关键过程，并间接影响土壤养分循环过程^［30］。氮作为植物生长的营养元素，是反映枯落物分解和土壤养分状况的显著性指标^［31］。

“植被”“多样性”“生物量”“凋落物层”“群落”等关键词频次之和占总频次的5.8%，表示枯落物积累对植被的影响也是草地枯落物研究的重点之一。枯落物积累通过影响植物种群结构和动态，进而影响草地生产力、生物多样性以及植被组成^［32］。

“放牧”“围封”等占总频次的2.5%，也是近年来枯落物研究的热点。放牧作为草地利用的主要方式，对草地枯落物分解起着重要的作用。放牧通过采食、排泄和践踏等方式影响群落物种组成和土壤特性，使枯落物形成和分解发生变化，进而影响草地生态系统的物质循环^［33］。围封是治理退化草地的重要手段之一，有利于植被的生长恢复^［34］。

“荒漠草原”“典型草原”“草地”等关键词的出现，表明国内草地枯落物研究主要在中国北方草原地区开展，与之关联度较高的有“碳循环”“植物群落”“羊草”。国内枯落物研究早期大多在典型草原开展，起初关注枯落物分解对土壤养分的影响，之后转到土壤呼吸排放的CO₂对枯落物分解的响应^［19］。近十年来，研究区逐渐从典型草原转向荒漠草原^［35］。近几年，关于草地碳储量、碳循环研究的关注度上升。

3.2 研究前沿及趋势

基于文献关键词频次，利用CiteSpace软件突现词检测算法，得到草地枯落物研究文献关键词突现表（表3）。可以看出，草地枯落物研究前沿经历了3次跃迁。

第一阶段（1977—1992）：“soil organic matter”“plant productivity”“分解速率”成为该阶段出现频次最多的关键词。可以看出，该阶段草地枯落物研究重在探索枯落物分解与土壤养分的关系，尤其是土壤有机质与枯落物的相互影响。1979年，有学者开始关注稀树草原枯落物量，发现分解量比枯落物量多，约为年产草量的65%^［36］；1982年，有研究建立了稀树草原枯落物分解模型，这之后相关研究逐渐增加；1990年，Berendse等^［37］通过比较不同年限、有无枯落物覆盖的荒地来揭示荒地次生演替。枯落物落到土壤后经过一系列分解过程，逐步把养分归还给土壤，起到草地自肥作用。枯落物分解还可以增强土壤微生物学活性，加速草地土壤物质生物学循环^［15］。

第二阶段（1993—2010）：“species richness”“nitrogen”“碳循环”“community”“羊草草原”“植被”是该阶段突显关键词。草地生态系统中的枯落物可能会影响生物多样性以及植被组成。随着枯落物的积累，物种丰富度和均匀度呈下降趋势^［38］，也有研究发现物种丰富度取决于枯落物质量和光照渗透^［39］。枯落物作为土壤碳库的重要组成部分，其形成分解与变化可以反映草地生态系统碳的动态变化，枯落物分解与碳氮比有显著的负相关关系^［40］。Chen等^［41］通过估算地上地下生物量、凋落物量、土壤释放的CO₂总量，建立了澳大利亚北部稀树草原生态系统碳平衡。枯落物分解对植被群落的影响以及生态系统中碳、氮循环对枯落物分解的响应是该阶段研究热点。

第三阶段（2011—2016）：草地生态系统碳循环是陆地碳循环中的重要环节，对全球碳平衡起着重要的作用^［42］。有研究分析内蒙古典型草原地上植物、凋落物、根系、土壤中的有机碳，发现轻度放牧状态下草地的有机碳储量最大^［43］。在英格兰北部草原实行禁牧后，发现枯落物质量、土壤含水量和溶解有机氮与无机氮的比例增加，但对土壤碳储量没有影响^［44］。还有研究在全球尺度上分析了枯落物积累、分解与生物量的关系，发现生物量与枯落物损失相关性不大^［45］。该阶段突显的关键词有“养分”“生物量”“ecosystem”“grassland”“碳储量”。可以看出，枯落物分解对草地生态系统碳储量的影响成为该阶段研究重点^［46］。

第四阶段（2017—2022）：近五年突显的关键词有“荒漠草原”“氮添加”“放牧”“litter decomposition”“litter quality”等。其中“荒漠草原”突显强度最大，为5.91。荒漠草原作为草原的重要组成部分，面积占全球草地总面积的8.1%。荒漠草原生态系统脆弱，对气候变化和人类活动干扰较为敏感，草地退化问题突出^［47］。有研究模拟了荒漠草原生态系统碳储量变化，发现植被、枯落物碳储量年内变化与季节变化紧密相关^［48］。“litter decomposition”“litter quality”强度各为4.09和4.47，分别突显于2017年和2018年，并持续至今，说明“枯落物分解”是贯穿草地枯落物研究的热点。枯落物质量通常是预测分解率的最佳指标，高质量的枯落物要比低质量的枯落物分解更快^［49］。比如利用¹³C标记枯落物来确定枯落物质量和土壤微生物群落对分解率的相对影响^［50］。在双碳减排的目标驱动下，枯落物质量及其影响尤其对草地生态系统碳循环的影响将是今后的主要研究趋势。

4 结论与展望

草地枯落物研究是目前草地生态学、地理学研究热点领域，通过对国内外草地枯落物研究的系统梳理，得到如下结果。

（1）近45年，草地枯落物研究的关注度持续上升，发文量持续增加，从最初的6篇/年增加至目前的103篇/年，经历了缓慢增长、波动增长、稳步增长3个阶段；中美学者是该研究领域的核心力量，以中国科学院和美国农业部农业研究局为主，中美学者的合作强度最高。

（2）从近45年该领域高频关键词及其出现次数、关联性看出，枯落物分解一直是草地枯落物研究的核心内容。早期研究集中在枯落物分解对土壤养分的影响，该时期出现的关键词有“土壤”“土壤呼吸”“土壤养分”；之后拓展到枯落物积累对植被的影响，比如植被多样性、草地生产力等，出现的关键词包括“植被”“多样性”“生物量”；近几年也有研究开始关注不同利用方式尤其是放牧对草地枯落物分解的影响，关键词“放牧”“围封”反复出现；“荒漠草原”“典型草原”等关键词的出现表示研究主要集中在中国北方温带典型草原和荒漠草原。

（3）草地枯落物研究前沿也经历了三次跃迁。1993年之前研究主要集中在枯落物分解与土壤养分的关系，尤其是土壤有机质与枯落物的相互影响；1993至2010年转到枯落物分解、积累对植被群落的影响以及草地生态系统碳、氮循环对枯落物分解的响应，该时期研究主要在典型草原展开；2010年之后研究侧重于枯落物分解对草地生态系统碳储量的影响，该时期生态化学计量学方法广泛应用到枯落物研究，研究集中在荒漠草原。

枯落物分解对草地生态系统碳源、碳汇具有重要的意义，而枯落物质量作为影响枯落物分解的主要因素，在草地生态系统的碳循环中也占据重要地位。所以枯落物质量对枯落物分解乃至对草地生态系统碳循环的影响成为草地枯落物研究的主要趋势之一。另一方面，枯落物是土壤养分的主要“输入”，风蚀水蚀是除了家畜采食以外土壤养分的重要“输出”，目前的研究已关注到枯落物对土壤温度与湿度的影响，但就草地枯落物对土壤抗风蚀能力的影响研究几乎空白，在退化草地分等定级中还没有提供给精确、量化的枯落物指标，在牧区草畜平衡中仍未考虑冷季草场利用的最大可能强度和枯落物最低保有量。今后研究中应重视冷季草场枯落物的土壤保护作用。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目“基于国别的蒙古高原土地沙漠化对比研究”(41861024)

内蒙古自治区重点研发和成果转化计划资助项目“《蒙古高原生态大数据中心》平台建设与应用示范”(2023KJHZ0027)

内蒙古自治区自然科学基金资助项目“基于高光谱影像的典型草原草场枯落物监测研究”(2024MS04014)

内蒙古师范大学基本科研业务费专项基金资助项目“内蒙古典型草原草地枯落物特征及其影响研究”(2022JBZD017)